Kretanje izvantropskih ciklona. Što je ciklon? Djelovanje i karakteristike atmosferske ciklone Što su ciklone i anticiklone

Tlačne formacije u blizini Zemljine površine u većini slučajeva kreću se u smjeru stabilnog strujanja zraka iznad njih na visini površine AT 700 ili AT 500 brzinom proporcionalnom brzini na odgovarajućoj površini, tj. prema pravilu vodećeg protoka.

U prosjeku, koeficijent proporcionalnosti između brzine vodećeg toka i brzine kretanja tlačnih formacija je 0,8 za AT 700 i 0,6 za AT 500.

Ali izračuni pokazuju da koeficijent proporcionalnosti ovisi o brzini vodećeg protoka (tablica 5):

Stol 5. Koeficijent proporcionalnosti ovisno o brzini vodećeg toka.

Vodeće pravilo protoka približno odražava sliku kretanja tlačnih formacija. Strogo govoreći, ciklone i anticiklone, krećući se u smjeru vodećeg toka, često odstupaju od smjera izohipsi na površini AT 700 ili AT 500.

Brzine kretanja ciklona jako variraju. U početnom stadiju razvoja niske ciklone kreću se brzinom od 40-50 km/h, au nekim slučajevima brzina raste do 80-100 km/h.

Aktivno kretanje ciklona događa se sve dok iznad njih u srednjoj troposferi ostaje stabilno strujanje zraka – vodeće strujanje. Najčešće se ciklona kreće od zapadne polovice horizonta prema istočnoj polovici, u skladu sa smjerom vodećeg toka. Anomalija u kretanju centara tlaka u odnosu na vodeći tok, kao što je gore prikazano, određena je brojnim čimbenicima, od kojih je glavni neravnomjerna lokalna promjena gradijenta geopotencijala iznad središta kretanja.

Dakle, u skladu s glavnim prijenosom zračnih masa u atmosferi zapad-istok, istočni dio ciklone je njezin prednji dio, a zapadni stražnji dio. Od ovog pravila postoje odstupanja ako se smjer vodećeg toka jako razlikuje od smjera zapad-istok.

Kada cikloni postanu visoki (počevši od trećeg stupnja razvoja), njihova brzina naglo opada. Cikloni za punjenje su kvazisimetrični i hladni. U srednjoj troposferi imaju zatvorene izohipse, t.j. vodeće strujanje određenog smjera iznad središta ciklone više ne postoji, te ciklone u pravilu postaju neaktivne (kvazistacionarne). U ovom slučaju ciklonalno središte ponekad opisuje petlju.

Ciklon je atmosferski vrtlog ogromnog (od stotina do nekoliko tisuća kilometara) promjera s niskim tlakom zraka u središtu.

Ciklona nije samo suprotnost anticikloni, one imaju drugačiji mehanizam nastanka. Cikloni se neprestano i prirodno proizvode rotacijom Zemlje, zahvaljujući Coriolisovoj sili. Posljedica Brouwerovog teorema o fiksnoj točki je prisutnost najmanje jednog ciklona ili anticiklona u atmosferi.

Zrak u cikloni kruži u smjeru suprotnom od kazaljke na satu na sjevernoj hemisferi i u smjeru kazaljke na satu na južnoj hemisferi. Osim toga, u slojevima zraka na visini od zemljine površine do nekoliko stotina metara vjetar ima komponentu usmjerenu prema središtu ciklone, duž baričkog gradijenta (u smjeru pada tlaka). Veličina člana opada s visinom.

Dvije su glavne vrste ciklona - izvantropski i tropski (posebnih su svojstava i javljaju se mnogo rjeđe).

Izvantropske ciklone nastaju u umjerenim ili polarnim geografskim širinama i imaju promjer od tisuću kilometara na početku svog razvoja, pa do nekoliko tisuća u slučaju tzv. centralne ciklone. Među izvantropskim ciklonima razlikuju se južni cikloni koji nastaju na južnoj granici umjerenih geografskih širina (Mediteran, Balkan, Crno more, Južni Kaspijski itd.) i kreću se prema sjeveru i sjeveroistoku. Južni cikloni imaju goleme rezerve energije; S južnim ciklonima u središnjoj Rusiji i ZND-u povezane su najveće oborine, vjetrovi, grmljavinske oluje, oluje i druge vremenske pojave.

Tropski cikloni nastaju u tropskim geografskim širinama i imaju manje veličine (stotine, rijetko više od tisuću kilometara), ali velike gradijente tlaka i brzine vjetra koje dosežu olujne brzine. Takve ciklone karakterizira i takozvano "oko oluje" - središnje područje promjera 20-30 km s relativno vedrim vremenom bez vjetra. Tropski cikloni tijekom svog razvoja mogu postati izvantropski. Ispod 8-10° sjeverne i južne geografske širine ciklone se javljaju vrlo rijetko, a u neposrednoj blizini ekvatora ih uopće nema.

U ciklone bez atmosferskih fronti ubrajaju se i toplinski simetrične ciklone (termalne depresije). Ljeti, nad kopnom, a zimi, nad velikim toplim vodenim površinama, mogu se pojaviti područja niskog tlaka koja se zovu toplinske depresije, a nisu povezana s atmosferskim frontama i frontalnim zonama. Formiranje stabilnih uzlaznih kretanja zraka preko jako zagrijane temeljne površine razlog je za nastanak takvih depresija, koje su tipične ljeti, na primjer, u srednjoj Aziji, a zimi u Crnom moru. U toplinskim depresijama horizontalni gradijenti potiskivanja su mali, stoga su vjetrovi slabi, naoblaka nije frontalnog tipa, a često ih uopće nema. Cjelokupni karakter vremena razlikuje se od vremena u običnim ciklonima

2.1 Izvantropski cikloni

Cikloni mogu biti tvorevine niskog i visokog tlaka, razvijene samo u donjoj troposferi (do visine 3 km - niske ciklone) ili u donjoj i srednjoj troposferi (do visine 5 km - srednje ciklone), ili u cijela troposfera (iznad 5 km - visoki cikloni ).

Visoke ciklone ne treba brkati s visinskim ciklonama. Potonji su atmosferski ciklonalni vrtlozi na visini u višoj troposferi i stratosferi, koji se ne uočavaju na površini zemlje iu donjoj troposferi. Ovo su relativno rijetki slučajevi formiranja ciklona ne u blizini tla, već na visini.

U svom razvoju na atmosferskim frontama izvantropske ciklone mogu proći kroz četiri faze: valovi (rađanje ciklona), mlada ciklona (novonastala ciklona), maksimalni razvoj i punjenje (okluzija)

Stadij valova. U ovoj fazi fronta koja leži u paralelnim izobarama doživljava zakrivljenost - otklon prema hladnoj masi, a prema toploj masi se na fronti pojavljuje val. Na njegovom vrhu, ispred toplog dijela fronte, tlak brzo pada, au stražnjem dijelu, iza hladnog dijela fronte, raste. Izobare na vrhu vala su savijene, tvoreći najprije korito, a zatim jednu zatvorenu liniju u blizini središta tek stvorene ciklone u razvoju, koja se u ovom slučaju naziva valna ciklona ili val.

Sustav oblaka valne ciklone u početku ostaje isti kakav je bio na ovom dijelu fronte u trenutku kada se val pojavio. Ali kako se ciklonska cirkulacija na vrhu vala pojačava - linija fronte postaje sve zakrivljenija - formiranje njezinih toplih i hladnih dijelova, mijenja se struktura oblaka; u prednjem dijelu vala stratusni oblaci se zgušnjavaju i šire područjem, nastaju nimbostratusni oblaci i oborina koja iz njih pada; u stražnjem dijelu vala zona oblaka se, naprotiv, nešto sužava i postaje tipična za hladni dio fronte.

Ciklona u valovitom stadiju obično je niska formacija. Može se pratiti na visinskim kartama samo najnižih razina. Obično čak i na izobarnoj površini od 700 mbara (na visini od oko 3 km) još uvijek nema zatvorenog ciklonskog kruženja. Ovdje je uočljiva samo slaba visinska depresija.

Valna ciklona kreće se u općem općem smjeru duž linije fronte. Brzina kretanja ciklone u fazi vala je otprilike 3/4 brzine gradijentnog vjetra na karti AT 700 iznad ciklone.

Trajanje postojanja ciklone u fazi vala je do jednog dana.

Mlada ciklona Daljnji razvoj nestabilnog frontalnog vala dovodi do sve većeg zakrivljenja linije fronte - prodora jezička tople zračne mase prema hladnoj masi, te klina hladnog zraka prema toploj zračnoj masi. Formira se topli sektor ciklone - široko područje između tople i hladne fronte, koje zauzima topla zračna masa. Tlak u središnjem i prednjem dijelu ciklone nastavlja padati, dok se pad tlaka ispred tople fronte pokazuje značajnijim nego njegov porast u stražnjem dijelu ciklone iza hladne fronte (negativni barički trendovi u prednji dio ciklone u apsolutnoj vrijednosti premašuje pozitivne baričke trendove u svom stražnjem dijelu) . Ciklon se produbljuje. Sve više i više izobara pojavljuje se na površinskoj vremenskoj karti. Istodobno se ciklon razvija prema gore, postaje jasno vidljiv na karti AT 700 (prodire u srednju troposferu). Širina zone naoblake i oborina na frontama u mladoj cikloni brzo se širi, osobito u prednjem dijelu ciklone. Ciklon se nastavlja kretati u općim smjerovima duž linije fronte na površini zemlje. Taj smjer odgovara smjeru izobara u njegovom toplom sektoru i smjeru vjetra na visinama iznad ciklone (približno na razini AT 500 i AT 400). Brzina kretanja mlade ciklone približno je jednaka 2/3 brzine strujanja zraka iznad ciklone na visini od 5-6 km.

Faza maksimalnog razvoja. Tlak u središtu ciklona u ovoj fazi razvoja dostiže minimum: pad tlaka u prednjem dijelu ciklona postaje jednak njegovom porastu u stražnjem dijelu ciklona, ​​veličina prostora koji zauzima ciklona uvelike se smanjila. porasla i dosegnula maksimum, kao i širina naoblake i oborinske zone. Pritom se širina toplog sektora suzila zbog brzog kretanja hladne fronte u odnosu na toplu. U središtu ciklone hladni dio fronte preuzeo je topli dio, fronte su se zatvorile i započeo je proces formiranja okluzijske fronte. Na vremenskoj karti, mjesto gdje su se fronte zatvarale u blizini zemljine površine naziva se točka okluzije. Naknadno, kako ciklona okludira, točka okluzije će se početi pomicati od središta ciklone prema njenoj periferiji. S točke okluzije fronte okluzije, tople i hladne, divergiraju u različitim smjerovima.

Ciklon u svom maksimalnom stupnju razvoja obično se prati na kartama AT 500 i AT 400. Brzina njegovog pomicanja je nešto sporija u odnosu na mladu ciklonu. Smjer pomaka određen je strujanjem zraka u gornjoj troposferi. Trajanje postojanja - 1-2 dana.

Ciklon za punjenje (začepljen). Pomicanje toplog zraka prema gore kada se fronte zatvaraju dovodi do činjenice da je u zatvorenom ciklonu cijeli prostor u blizini zemljine površine ispunjen hladnim zračnim masama. Uočava se brz porast tlaka u stražnjem dijelu ciklone, dok pozitivni trendovi tlaka u stražnjem dijelu daleko premašuju negativne u prednjem dijelu ciklone, gdje pad tlaka postupno slabi. Ciklon se puni. Njegovi oblačni sustavi erodiraju, stanjuju se, a oborine prestaju. Opće sporo, postupno poboljšanje vremena počinje u cikloni koja se puni.

Takav ciklon je neaktivan. Na početku punjenja okludirani ciklon počinje usporavati brzinu kretanja i odstupati ulijevo od početnog smjera kretanja, zatim mu brzina može pasti na nulu i daljnje punjenje se može odvijati praktički na licu mjesta. Trajanje punjenja zatvorenog ciklona varira. Obično taj proces traje nekoliko dana, osim ako se u to vrijeme nova atmosferska fronta sa svježim zračnim masama ne približi ciklonu koja se puni i ciklona ponovno počne oživljavati, produžujući tako svoje postojanje na neko vrijeme. Takve pojave nazivamo ciklonska regeneracija.

Ciklonski niz. Razmatrana četiri stupnja razvoja izvantropskih ciklona ponekad se mogu identificirati na vremenskim kartama istovremeno. To se događa kada se na bilo kojoj fronti ciklone razvijaju jedna za drugom, tvoreći čitav niz.

Prvi član ovog niza možda već završava svoje postojanje i, začepljen, puni se, a zadnji član je tek izronio kao nestabilan val na prednjoj strani, još se mora razviti i proći kroz ostala tri stadija. Tipično, svaka nova ciklona takve serije ispada nešto južnije od svoje prethodnice, budući da se atmosferska fronta na kojoj se razvija serija ciklona postupno spušta prema jugu, potisnuta masama hladnog zraka koji napadaju stražnje dijelove svake ciklone . Iza posljednjeg člana takvog ciklonalnog niza dolazi do najznačajnijeg prodora hladnih zračnih masa i često se u njima formira snažna završna anticiklona koja na neko vrijeme prekida ciklonalno djelovanje u ovom geografskom području. Opisani slijed u razvoju ciklona u serijama nije uvijek opažen u prirodi. Češće se to događa na homogenoj podlozi, kada su uvjeti postojanja za svaku ciklonu isti. Niz ciklona može se relativno često promatrati na sjevernoj hemisferi iznad Atlantskog oceana, kada se umjerena fronta proteže u neravnomjernoj liniji od jugozapada prema sjeveroistoku gotovo od obale Amerike do britanskih otoka. Ciklonalni vrtlozi takve serije jasno su vidljivi na fotografijama snimljenim iz svemira, gdje se svaka ciklona i pojedini dijelovi fronta na njoj razlikuju karakterističnim nakupinama oblaka.

Međutim, nad kopnom, posebno nad područjima s planinskim lancima, razvoj ciklona rijetko se događa u tako strogom slijedu. Ovdje se niz ciklona može sastojati od dvije ili tri ciklone, a ponekad se razvijaju ciklone koje se na fronti pojavljuju zasebno, jedna po jedna. Neki cikloni ne prolaze kroz sve četiri faze razvoja; na primjer, valni ciklon, nakon što se pojavi, može se napuniti u roku od jednog dana.

Minimalni atmosferski tlak u ciklonu javlja se u središtu ciklona; raste prema periferiji, tj. horizontalni barički gradijenti usmjereni su s vanjske strane ciklone prema unutra. U dobro razvijenoj cikloni tlak u centru na razini mora može pasti na 950-960 mbar (1 bar = 105 N/m2), au nekim slučajevima i na 930-920 mbar (s prosječnim tlakom na razini mora od oko 1012 mbar).

Zatvorene izobare (linije jednakog tlaka) nepravilnog, ali općenito ovalnog oblika ograničavaju područje niskog tlaka (barična depresija) promjera od nekoliko stotina kilometara do 2-3 tisuće km. U ovom području zrak je u vrtložnom gibanju. U slobodnoj atmosferi, iznad graničnog sloja atmosfere (oko 1000 m), kreće se približno duž izobara, odstupajući od gradijenta tlaka pod kutom bliskim ravnoj liniji, na sjevernoj hemisferi udesno, a na južnoj ulijevo. Hemisfera (zbog utjecaja Coriolisove otklonske sile i centrifugalne sile koja nastaje pri kretanju duž zakrivljenih putanja).

U graničnom sloju vjetar, zbog sile trenja, više ili manje značajno (ovisno o visini) odstupa od izobara prema gradijentu tlaka. Na zemljinoj površini vjetar s gradijentom tlaka zaklapa kut od oko 60°, tj. Rotacijskom kretanju zraka pridružuje se strujanje zraka unutar ciklona. Strujnice imaju oblik spirala koje se skupljaju prema središtu ciklona. Brzine vjetra u cikloni su jače nego u susjednim područjima atmosfere; ponekad dosežu i više od 20 m/s (oluja), pa čak i više od 30 m/s (orkan).

Zbog uzlazne komponente kretanja zraka, osobito u blizini atmosferskih fronti, u cikloni prevladava oblačno vrijeme. Glavnina atmosferskih oborina u ekstratropskim geografskim širinama pada u ciklonu. Zbog vrtložnog kretanja zraka, u područje ciklona uvlače se zračne mase različitih temperatura s različitih geografskih širina Zemlje. To je povezano s temperaturnom asimetrijom ciklona: ​​u različitim sektorima temperature zraka su različite. To se posebno odnosi na pokretne ciklone koji se javljaju na glavnim frontama troposfere (Arktik, Antarktik, polarni). Međutim, slabi ("mutni") cikloni se opažaju iznad toplih područja zemljine površine (pustinje, unutarnja mora) - takozvane toplinske depresije - neaktivne, s prilično ravnomjernom raspodjelom temperature.

S visinom izobare ciklona postupno gube svoj zatvoreni oblik. To se događa na različite načine, ovisno o stupnju razvoja ciklona i rasporedu temperature u njemu. U početnoj fazi razvoja pokretni (frontalni) ciklon zahvaća samo donji dio troposfere. U fazi najvećeg razvoja ciklona se može proširiti cijelom visinom troposfere, pa čak i proširiti u nižu stratosferu. Toplinske depresije uvijek su ograničene na nižu troposferu.

Pokretni cikloni općenito se kreću kroz atmosferu od zapada prema istoku. U svakom pojedinom slučaju smjer kretanja određen je smjerom općeg zračnog transporta u višoj troposferi. Suprotni pokreti su rijetki. Prosječna brzina kretanja ciklone je oko 30-45 km/h, ali ima ciklona koje se kreću brže (do 100 km/h), osobito u početnim fazama razvoja; u završnoj fazi ciklone ne mogu promijeniti položaj dugo vremena.

Kretanje ciklone kroz bilo koje područje uzrokuje oštre i značajne lokalne promjene ne samo atmosferskog tlaka i vjetra, već i temperature i vlažnosti, naoblake i padalina.

Pokretni cikloni obično se razvijaju na već formiranim glavnim frontama troposfere, kao poremećaji valova kada se zrak prenosi s obje strane fronte. Nestabilni frontalni valovi rastu i pretvaraju se u ciklonalne vrtloge. Krećući se duž fronte (obično izdužene u geografskoj širini), ciklona je zauzvrat deformira, stvarajući meridionalne komponente vjetra i time pospješujući prijenos toplog zraka u prednjem (istočnom) dijelu ciklone u visoke geografske širine i hladnog zraka u stražnji (zapadni) dio ciklone – do niskih geografskih širina. U južnom dijelu ciklone stvara se u nižim slojevima tzv. topli sektor, ograničen toplom i hladnom frontom (stadij mlade ciklone). Naknadno, kada se hladna i topla fronta zatvore (okluzija ciklone), topli zrak biva potisnut hladnim zrakom sa površine zemlje u visoke slojeve, topli sektor se eliminira, a u cikloni se uspostavlja ravnomjernija raspodjela temperature (okludirana ciklona pozornica). Zaliha energije koja se u ciklonu može pretvoriti u kinetičku ponestaje; ciklona izumire ili se spaja s drugom ciklonom.

Na glavnoj fronti obično se razvija serija (familija) ciklona koja se sastoji od nekoliko ciklona koje se kreću jedna za drugom. Na kraju razvoja niza, pojedinačne ciklone koje još nisu izumrle, sjedinjujući se, tvore opsežnu, neaktivnu, duboku i visoku središnju ciklonu, koja se cijelom svojom debljinom sastoji od hladnog zraka. Postupno nestaje. Istodobno s nastankom ciklona između njih nastaju srednje anticiklone s visokim tlakom u središtu. Cijeli proces evolucije pojedinog ciklona traje nekoliko dana; serija ciklona i središnja ciklona mogu trajati jedan do dva tjedna. U svakoj hemisferi, nekoliko glavnih fronti i povezanih nizova ciklona mogu se otkriti u bilo kojem trenutku; ukupan broj ciklona godišnje je mnogo stotina na svakoj hemisferi.

Postoje određene geografske širine i područja u kojima se formiranje glavnih fronti i frontalnih poremećaja događa relativno redovito. Zbog toga postoje određene geografske zakonitosti u učestalosti pojavljivanja i kretanja ciklona i anticiklona i njihovih nizova, tj. u takozvanoj ciklonskoj aktivnosti. Međutim, utjecaj kopna i mora, topografije, orografije i drugih geografskih čimbenika na nastanak i kretanje ciklona i anticiklona te njihovo međudjelovanje čine ukupnu sliku ciklonalne aktivnosti vrlo složenom i brzo promjenjivom. Ciklonska aktivnost dovodi do interlatitudinalne izmjene zraka, kretanja, topline i vlage, što je čini najvažnijim čimbenikom opće cirkulacije atmosfere.

Cikloni nastaju ne samo u atmosferi Zemlje, već iu atmosferama drugih planeta. Na primjer, u atmosferi Jupitera već se godinama opaža takozvana Velika crvena pjega, koja je, očito, dugovječna anticiklona.

Veličine ciklona i anticiklona su usporedive: njihov promjer može doseći 3-4 tisuće km, a visina može biti najviše 18-20 km, tj. oni su ravni vrtlozi s jako nagnutom osi rotacije. Obično se kreću od zapada prema istoku brzinom od 20-40 km/h (osim stacionarnih).

U predmetu geografije 8. razreda obrađuje se niz tema o različitim procesima u atmosferi. Treba ih proučavati i razumjeti, jer otkrivaju razloge i načine nastanka i promjene vremena, njegovo predviđanje, što je od praktične vrijednosti za svakog čovjeka.

Što su ciklone i anticiklone

Jedan od najzanimljivijih mehanizama su svojevrsne "zračne pumpe" - atmosferski vrtlozi ogromne veličine, čija je glavna uloga formiranje vremena na velikim područjima zemljine površine.

Njihova visina je do 20 km, a promjer može doseći 4-5 tisuća km.

Riža. 1. Ogromni atmosferski vrtlog.

U ovom slučaju, ciklon je zračni vrtlog koji skuplja i izbacuje zrak prema gore iz vlastitog središta. Anticiklona, ​​naprotiv, uvlači zrak iz gornjih slojeva atmosfere i distribuira ga blizu površine.

To se događa jer je ciklon područje niskog tlaka, zrak juri tamo gdje je tlak najniži, odnosno u središte ciklona. Tamo nastaju uzlazne zračne struje.

TOP 1 članakkoji čitaju uz ovo

Anticiklona je atmosferski vrtlog karakteriziran visokim tlakom. Naprotiv, on “ubrzava” zračne mase iz svog središta, uvlačeći ih iz viših slojeva atmosfere. U njegovom središtu nastaju silazni tokovi koji spiralno izlaze iz središta i raspoređuju se po zemljinoj površini.

Atmosferski vrtlozi često nastaju u područjima atmosferskih fronti, a glavni razlog njihovog nastanka je rotacija Zemlje.

Riža. 2. Shema građe ciklona i anticiklona.

Slične pojave opažene su u atmosferi drugih planeta. Izvanzemaljska dugotrajna ciklona je Mala tamna pjega u atmosferi Neptuna, a anticiklona je Velika crvena pjega na Jupiteru.

Usporedba značajki atmosferskih vrtloga

Ciklone i anticiklone imaju razlike i sličnosti. Njihove sličnosti su:

• vrtložna struktura;
• važnu ulogu u formiranju vremena u velikim regijama.

Na pojavu anticiklone utječe formiranje ciklona u blizini - višak zraka izbačen vrtlogom niskog tlaka nakuplja se i izaziva razvoj područja visokog tlaka, anticiklone.

Razlike između atmosferskih vrtloga prikazane su u tablici usporednih karakteristika:

Na sinoptičkim kartama slova se koriste za označavanje ciklona i anticiklona: H - označava područje niskog tlaka, B - područje visokog tlaka.

Riža. 3. Sinoptička karta.

Vrste ciklona i anticiklona

Postoji nekoliko vrsta ciklona, ​​nazvanih prema mjestu nastanka:

• Arktik;
• umjerene geografske širine;
• južni izvantropski;
• tropski.

Većina ciklona koje prolaze područjem Rusije formiraju se iznad Atlantika, kreću se od zapada prema istoku i klasificiraju se kao arktički ili umjereni. To su atmosferski vrtlozi velike površine.

Tropski cikloni su najopasniji - karakteriziraju ih relativno male veličine od samo nekoliko stotina kilometara, abnormalno nizak tlak u središtu, a samim time i vrlo velike brzine vjetra, koji dosežu olujne brzine. Upravo ti cikloni izazivaju najveća razaranja u obalnim zemljama Azije i Sjeverne Amerike. Pojavljuju se samo nad morem i brzo blijede kada pređu na kopno.

Anticiklone i ciklone imaju prosječni životni vijek od 3-10 dana dok se atmosferski tlak ne izjednači. No postoje i trajni koji postoje godinama, primjerice: islandska i aleutska ciklona, ​​indijska i sibirska anticiklona.

Što smo naučili?

Nastanak atmosferskih vrtloga ovisi o rasporedu tlaka zraka u atmosferi i Coriolisovim silama koje nastaju tijekom rotacije Zemlje. Unatoč nekim sličnostima, međusobno se razlikuju na mnogo načina: rotiraju u različitim smjerovima, pružaju različito vrijeme i nastaju u različitim uvjetima.

Test na temu

Ocjena izvješća

Prosječna ocjena: 4.1. Ukupno primljenih ocjena: 624.

P. MANTASHYAN.

Nastavljamo s objavljivanjem časopisne verzije članka P. N. Mantashyana "Vorteksi: od molekule do galaksije" (vidi "Znanost i život br."). Govorit ćemo o tornadima i tornadima - prirodnim tvorevinama goleme razorne moći, čiji mehanizam nastanka još uvijek nije sasvim jasan.

Znanost i život // Ilustracije

Znanost i život // Ilustracije

Crtež iz knjige američkog fizičara Benjamina Franklina, koji objašnjava mehanizam tornada.

Rover Spirit otkrio je da se tornada pojavljuju u tankoj atmosferi Marsa i fotografirao ih. Fotografija s web stranice NASA-e.

Divovski tornada i tornada koji se javljaju u ravnicama južnih Sjedinjenih Država i Kine su strašna i vrlo opasna pojava.

Znanost i život // Ilustracije

Tornado može doseći kilometar visine, oslanjajući se vrhom na grmljavinski oblak.

Tornado na moru podiže i uvlači desetke tona vode zajedno s morskim životom i može razbiti i potopiti mali brod. U eri jedrenjaka pokušavali su uništiti tornado pucajući na njega iz topova.

Na slici se jasno vidi da se tornado okreće, uvijajući zrak, prašinu i kišnicu u spiralu.

Grad Kansas City kojeg je snažan tornado pretvorio u ruševine.

Sile koje djeluju na tajfun u strujanju pasata.

Amperov zakon.

Coriolisove sile na gramofonu.

Magnus efekt na stolu iu zraku.

Vrtložno kretanje zraka opaža se ne samo u tajfunima. Postoje vrtlozi veći od tajfuna - to su cikloni i anticikloni, najveći zračni vrtlozi na planetu. Njihove veličine znatno premašuju veličinu tajfuna i mogu doseći više od tisuću kilometara u promjeru. U određenom smislu, to su antipodni vrtlozi: kod njih je gotovo sve obrnuto. Cikloni sjeverne i južne hemisfere rotiraju u istom smjeru kao i tajfuni tih hemisfera, a anticiklone rotiraju u suprotnom smjeru. Ciklona sa sobom donosi loše vrijeme popraćeno oborinama, dok anticiklona, ​​naprotiv, donosi vedro, sunčano vrijeme. Shema formiranja ciklone je prilično jednostavna - sve počinje interakcijom hladnih i toplih atmosferskih fronti. U tom slučaju dio tople atmosferske fronte prodire unutar hladne u obliku svojevrsnog atmosferskog "jezika", uslijed čega se topli zrak, lakši, počinje dizati, a pritom se događaju dva procesa. Prvo, molekule vodene pare, pod utjecajem Zemljinog magnetskog polja, počinju rotirati i uključuju sav zrak koji se diže u rotacijsko kretanje, tvoreći divovski zračni vrtlog (vidi “Znanost i život” br.). Drugo, topli zrak iznad se hladi, a vodena para u njemu se kondenzira u oblake, koji padaju kao oborina u obliku kiše, tuče ili snijega. Takva ciklona može pokvariti vrijeme na period od nekoliko dana do dva do tri tjedna. Njegovu "životnu aktivnost" podupire dolazak novih porcija vlažnog toplog zraka i njegova interakcija s frontom hladnog zraka.

Anticiklona je povezana sa spuštanjem zračnih masa koje se pritom adijabatski zagrijavaju, odnosno bez izmjene topline s okolinom pada im relativna vlažnost, što dovodi do isparavanja postojećih oblaka. Istodobno, zbog interakcije molekula vode s magnetskim poljem Zemlje, dolazi do anticiklonalne rotacije zraka: na sjevernoj hemisferi - u smjeru kazaljke na satu, na južnoj hemisferi - suprotno od kazaljke na satu. Anticiklona sa sobom donosi stabilno vrijeme u trajanju od nekoliko dana do dva do tri tjedna.

Navodno su mehanizmi nastanka ciklona, ​​anticiklona i tajfuna identični, a specifična energetska intenzivnost (energija po jedinici mase) tajfuna znatno je veća nego kod ciklona i anticiklona, ​​samo zbog više temperature zračnih masa zagrijavanih sunčevim zračenjem. .

TOrnadoes

Od svih vrtloga koji nastaju u prirodi, najtajanstveniji su tornada, zapravo, oni su dio grmljavinskog oblaka. Isprva, u prvoj fazi tornada, rotacija je vidljiva samo u donjem dijelu grmljavinskog oblaka. Potom dio tog oblaka visi u obliku golemog lijevka, koji postaje sve duži i konačno dospijeva na površinu zemlje ili vode. Pojavljuje se divovsko deblo koje visi s oblaka, a koje se sastoji od unutarnje šupljine i zidova. Visina tornada kreće se od nekoliko stotina metara do jednog kilometra i obično je jednaka udaljenosti od dna oblaka do površine zemlje. Karakteristična značajka unutarnje šupljine je smanjeni tlak zraka u njoj. Ova značajka tornada dovodi do činjenice da šupljina tornada služi kao neka vrsta pumpe, koja može uvući ogromnu količinu vode iz mora ili jezera, zajedno sa životinjama i biljkama, transportirati ih na znatne udaljenosti i baciti dolje zajedno s kišom. Tornado je sposoban nositi prilično velike terete - automobile, kolica, male brodove, male zgrade, a ponekad čak i s ljudima u njima. Tornado ima ogromnu razornu moć. Kada dođe u dodir sa zgradama, mostovima, dalekovodima i drugom infrastrukturom, uzrokuje ogromna razaranja.

Tornada imaju maksimalni specifični energetski intenzitet, koji je proporcionalan kvadratu brzine vrtložnih strujanja zraka. Prema meteorološkoj klasifikaciji, kada brzina vjetra u zatvorenom vrtlogu ne prelazi 17 m/s, to se naziva tropska depresija, ali ako brzina vjetra ne prelazi 33 m/s, onda je to tropska oluja, a ako brzina vjetra je 34 m/s i više, onda je ovo već tajfun. U jakim tajfunima brzine vjetra mogu prelaziti 60 m/s. U tornadu, prema različitim autorima, brzina zraka može doseći od 100 do 200 m/s (neki autori ističu nadzvučnu brzinu zraka u tornadu - preko 340 m/s). Izravna mjerenja brzine strujanja zraka u tornadima praktički su nemoguća na sadašnjoj razini tehnološkog razvoja. Sve uređaje namijenjene bilježenju parametara tornada oni nemilosrdno razbijaju pri prvom kontaktu. Brzina strujanja u tornadima prosuđuje se posrednim znakovima, uglavnom prema razaranju koje proizvode ili prema težini tereta koje nose. Osim toga, posebnost klasičnog tornada je prisutnost razvijenog grmljavinskog oblaka, svojevrsne električne baterije koja povećava specifični energetski intenzitet tornada. Da bismo razumjeli mehanizam nastanka i razvoja tornada, prvo razmotrimo strukturu grmljavinskog oblaka.

OLUJNI OBLAK

U tipičnom grmljavinskom oblaku, vrh je pozitivno nabijen, a baza je negativno nabijena. To jest, divovski električni kondenzator veličine mnogo kilometara lebdi u zraku, podržan rastućim strujama. Prisutnost takvog kondenzatora dovodi do toga da se na površini zemlje ili vode nad kojom se nalazi oblak pojavljuje njegov električni trag - inducirani električni naboj koji ima predznak suprotan predznaku naboja baze oblak, odnosno zemljina površina bit će pozitivno nabijena.

Usput, eksperiment stvaranja induciranog električnog naboja može se provesti kod kuće. Stavite komadiće papira na površinu stola, raščešljajte suhu kosu plastičnim češljem i približite češalj posutim papirićima. Svi će oni, podižući pogled sa stola, pohrliti na češalj i držati se njega. Rezultat ovog jednostavnog eksperimenta može se vrlo jednostavno objasniti. Češalj je dobio električni naboj kao rezultat trenja o kosu, a na papiriću inducira naboj suprotnog predznaka koji privlači papiriće češlju u skladu s Coulombovim zakonom.

U blizini baze razvijenog grmljavinskog oblaka postoji snažno uzlazno strujanje zraka zasićenog vlagom. Osim dipolnih molekula vode, koje se počinju okretati u Zemljinom magnetskom polju, prenoseći zamah na neutralne molekule zraka, povlačeći ih u rotaciju, u uzlaznom toku postoje pozitivni ioni i slobodni elektroni. Mogu nastati kao posljedica utjecaja sunčevog zračenja na molekule, prirodne radioaktivne pozadine područja te, u slučaju grmljavinskog oblaka, uslijed energije električnog polja između baze grmljavinskog oblaka i tla ( sjetite se induciranog električnog naboja!). Usput, zbog induciranog pozitivnog naboja na površini zemlje, broj pozitivnih iona u struji uzdižućeg zraka znatno premašuje broj negativnih iona. Sve te nabijene čestice, pod utjecajem uzlaznog strujanja zraka, hrle u podnožje grmljavinskog oblaka. Međutim, vertikalne brzine pozitivnih i negativnih čestica u električnom polju su različite. Jakost polja može se procijeniti razlikom potencijala između baze oblaka i površine zemlje - prema mjerenjima istraživača, ona iznosi nekoliko desetaka milijuna volti, što uz visinu baze grmljavinskog oblaka od jedan do dva kilometra, daje jakost električnog polja od desetak tisuća volti po metru. Ovo polje će ubrzati pozitivne ione i usporiti negativne ione i elektrone. Stoga će u jedinici vremena kroz presjek uzlaznog toka proći više pozitivnih naboja nego negativnih. Drugim riječima, između zemljine površine i baze oblaka nastat će električna struja, iako bi bilo ispravnije govoriti o ogromnom broju elementarnih struja koje povezuju zemljinu površinu s bazom oblaka. Sve te struje su paralelne i teku u istom smjeru.

Jasno je da će, prema Amperovom zakonu, oni međusobno djelovati, odnosno privlačiti se. Iz kolegija fizike poznato je da je sila međusobnog privlačenja po jedinici duljine dva vodiča s električnim strujama koje teku u istom smjeru izravno proporcionalna umnošku sila tih struja i obrnuto proporcionalna udaljenosti između vodiča.

Privlačenje između dva električna vodiča nastaje zbog Lorentzovih sila. Na elektrone koji se kreću unutar svakog vodiča utječe magnetsko polje koje stvara električna struja u susjednom vodiču. Na njih djeluje Lorentzova sila, usmjerena duž ravne linije koja povezuje središta vodiča. Ali da bi nastala sila međusobnog privlačenja, prisutnost vodiča je potpuno nepotrebna - same struje su dovoljne. Na primjer, dvije čestice u mirovanju koje imaju isti električni naboj odbijaju se prema Coulombovom zakonu, ali se iste čestice koje se kreću u istom smjeru privlače dok se sile privlačenja i odbijanja ne uravnoteže. Lako je vidjeti da udaljenost između čestica u ravnotežnom položaju ovisi samo o njihovoj brzini.

Zbog međusobnog privlačenja električnih struja, nabijene čestice hrle u središte grmljavinskog oblaka, usput stupajući u interakciju s električki neutralnim molekulama i također ih pomičući u središte grmljavinskog oblaka. Površina poprečnog presjeka uzlaznog toka smanjit će se nekoliko puta, a budući da se tok rotira, prema zakonu očuvanja kutne količine gibanja, njegova će se kutna brzina povećati. Ista stvar će se dogoditi s uzlaznom strujom kao klizačici koja, okrećući se na ledu s raširenim rukama, pritišće ih uz tijelo, uzrokujući naglo povećanje brzine rotacije (školski primjer iz udžbenika fizike koji možemo gledati na TELEVIZOR!). Tako naglo povećanje brzine rotacije zraka u tornadu uz istodobno smanjenje njegova promjera dovest će do odgovarajućeg povećanja linearne brzine vjetra, koja, kao što je gore spomenuto, može čak premašiti brzinu zvuka.

Prisutnost grmljavinskog oblaka, čije električno polje razdvaja nabijene čestice po predznaku, dovodi do činjenice da brzine strujanja zraka u tornadu premašuju brzine strujanja zraka u tajfunu. Slikovito rečeno, grmljavinski oblak služi kao neka vrsta “električne leće” u čijem se žarištu koncentrira energija uzlaznog strujanja vlažnog zraka, što dovodi do stvaranja tornada.

MALI VRTLOGI

Postoje i vrtlozi čiji mehanizam nastanka ni na koji način nije povezan s rotacijom dipolne molekule vode u magnetskom polju. Najčešći među njima su prašnjavi vragovi. Nastaju u pustinjskim, stepskim i planinskim područjima. Po veličini su inferiorni klasičnim tornadima, visina im je oko 100-150 metara, a promjer nekoliko metara. Za nastanak vragova prašine neophodan uvjet je pustinjska, dobro zagrijana ravnica. Jednom formiran takav vrtlog postoji vrlo kratko vrijeme, 10-20 minuta, cijelo to vrijeme krećući se pod utjecajem vjetra. Unatoč činjenici da pustinjski zrak praktički ne sadrži vlagu, njegovo rotacijsko gibanje osigurava interakcija elementarnih naboja s magnetskim poljem Zemlje. Iznad ravnice, jako zagrijane suncem, nastaje snažno uzlazno strujanje zraka, čije su neke molekule pod utjecajem sunčevog zračenja, a posebno njegovog ultraljubičastog dijela, ionizirane. Fotoni sunčevog zračenja izbacuju elektrone iz vanjskih elektronskih ljuski atoma zraka, tvoreći parove pozitivnih iona i slobodnih elektrona. Zbog činjenice da elektroni i pozitivni ioni imaju značajno različite mase uz jednake naboje, njihov doprinos stvaranju kutne količine gibanja vrtloga je različit te je smjer rotacije vrtloga prašine određen smjerom rotacije pozitivnih iona. . Takav rotirajući stup suhog zraka, dok se kreće, s površine pustinje podiže prašinu, pijesak i sitne kamenčiće koji sami po sebi ne igraju nikakvu ulogu u mehanizmu stvaranja kovitlaca prašine, već služe kao svojevrsni indikator rotacija zraka.

Zračni vrtlozi, prilično rijedak prirodni fenomen, također su opisani u literaturi. Pojavljuju se u najtoplije doba dana na obalama rijeka ili jezera. Životni vijek takvih vrtloga je kratak, pojavljuju se neočekivano i jednako tako iznenada nestaju. Čini se da njihovom stvaranju doprinose i molekule vode i ioni nastali u toplom i vlažnom zraku uslijed sunčevog zračenja.

Mnogo su opasniji vodeni vrtlozi, čiji je mehanizam nastanka sličan. Sačuvan je opis: “U srpnju 1949. u državi Washington, jednog toplog sunčanog dana pod nebom bez oblaka, na površini jezera pojavio se visoki stup vodene mlaznice. Postojao je samo nekoliko minuta, ali je imao značajnu snagu dizanja. Približavajući se obali rijeke, podigao je prilično težak motorni čamac dužine oko četiri metra, nosio ga nekoliko desetaka metara i, udarivši o tlo, razbio na komade. Vodeni vrtlozi su najčešći tamo gdje je površina vode jako zagrijana suncem – u tropskim i suptropskim zonama.”

Za vrijeme velikih požara može doći do vrtložnih strujanja zraka. Takvi slučajevi opisani su u literaturi, a mi predstavljamo jedan od njih. “Davne 1840. godine, šume su iskrčene za polja u Sjedinjenim Državama. Ogromna količina grmlja, granja i drveća odbačena je na veliku čistinu. Zapaljeni su. Nakon nekog vremena plamenovi pojedinačnih vatri su se zbližili, formirajući vatreni stup, širok pri dnu, šiljast na vrhu, visok 50 - 60 metara. Još gore, vatru je zamijenio dim koji je išao visoko u nebo. Vrtlog vatre i dima vrtio se nevjerojatnom brzinom. Veličanstveni i zastrašujući prizor pratila je velika buka, koja je podsjećala na grmljavinu. Snaga vjetra bila je tolika da je velika stabla dizala u zrak i bacala ih u stranu.”

Razmotrimo proces nastanka vatrenog tornada. Prilikom izgaranja drva oslobađa se toplina koja se djelomično pretvara u kinetičku energiju uzlaznog strujanja zagrijanog zraka. Međutim, tijekom izgaranja događa se još jedan proces - ionizacija zraka i produkata izgaranja.

gorivo. Iako su općenito zagrijani zrak i produkti izgaranja goriva električki neutralni, u plamenu se stvaraju pozitivno nabijeni ioni i slobodni elektroni. Kretanje ioniziranog zraka u magnetskom polju Zemlje neizbježno će dovesti do stvaranja vatrenog tornada.

Želio bih napomenuti da se vrtložno kretanje zraka događa ne samo tijekom velikih požara. U svojoj knjizi “Tornada” D.V. Nalivkin postavlja pitanja: “Već smo više puta razgovarali o misterijama povezanim s vrtlozima malih dimenzija, pokušali smo shvatiti zašto se svi vrtlozi okreću? Postavljaju se i druga pitanja. Zašto, kada slama gori, zagrijani zrak se ne diže pravocrtno, već spiralno i počinje se kovitlati. Vrući zrak ponaša se na isti način u pustinji. Zašto jednostavno ne ode gore bez imalo prašine? Ista stvar se događa s prskanjem vode i prskanjem kada vrući zrak juri preko površine vode.”

Postoje vrtlozi koji nastaju tijekom vulkanskih erupcija, primjerice, uočeni su iznad Vezuva. U literaturi se nazivaju vrtlozima pepela – u kretanju vrtloga sudjeluju oblaci pepela koje je izbio vulkan. Mehanizam nastanka takvih vrtloga općenito je sličan mehanizmu nastanka vatrenih tornada.

Pogledajmo sada koje sile djeluju na tajfune u turbulentnoj atmosferi naše Zemlje.

CORIOLISOVA SILA

Tijelo koje se kreće u rotirajućem referentnom sustavu, na primjer, na površini rotirajućeg diska ili lopte, podložno je inercijskoj sili koja se naziva Coriolisova sila. Ova sila određena je vektorskim produktom (numeriranje formula počinje u prvom dijelu članka)

F K =2M[ VΩ], (20)

Gdje M- tjelesna masa; V je vektor brzine tijela; Ω je vektor kutne brzine rotacije referentnog sustava, u slučaju globusa - kutna brzina rotacije Zemlje, i [VΩ] - njihov vektorski produkt, koji u skalarnom obliku izgleda ovako:

F l = 2M | V | | Ω | sin α, gdje je α kut između vektora.

Brzina tijela koje se kreće po površini zemaljske kugle može se rastaviti na dvije komponente. Jedna od njih leži u ravnini tangenti na loptu u točki gdje se nalazi tijelo, drugim riječima, horizontalna komponenta brzine: druga, vertikalna komponenta je okomita na tu ravninu. Coriolisova sila koja djeluje na tijelo proporcionalna je sinusu geografske širine njegovog položaja. Tijelo koje se kreće po meridijanu u bilo kojem smjeru na sjevernoj hemisferi podložno je Coriolisovoj sili usmjerenoj udesno u svom gibanju. Upravo ta sila uzrokuje ispiranje desnih obala rijeka na sjevernoj hemisferi, bez obzira na to teku li sjeverno ili južno. Na južnoj hemisferi ista je sila u kretanju usmjerena ulijevo i rijeke koje teku u meridijalnom smjeru ispiraju lijeve obale. U geografiji se ova pojava naziva Beerov zakon. Kada se korito rijeke ne poklapa s meridijanskim smjerom, Coriolisova sila bit će manja za kosinus kuta između smjera toka rijeke i meridijana.

Gotovo sve studije posvećene nastanku tajfuna, tornada, ciklona i svih vrsta vrtloga, kao i njihovom daljnjem kretanju, ukazuju na to da je Coriolisova sila glavni uzrok njihovog nastanka i da ona određuje putanju njihovog kretanja. kretanje po površini Zemlje. Međutim, kada bi Coriolisova sila sudjelovala u stvaranju tornada, tajfuna i ciklona, ​​tada bi na sjevernoj hemisferi imali desnu rotaciju, u smjeru kazaljke na satu, a na južnoj hemisferi lijevu rotaciju, odnosno suprotno od kazaljke na satu. Ali tajfuni, tornada i cikloni na sjevernoj hemisferi rotiraju ulijevo, suprotno od kazaljke na satu, a na južnoj hemisferi - udesno, u smjeru kazaljke na satu. To apsolutno ne odgovara smjeru utjecaja Coriolisove sile, štoviše, izravno je suprotno od nje. Kao što je već spomenuto, veličina Coriolisove sile proporcionalna je sinusu geografske širine i, prema tome, najveća je na polovima i odsutna na ekvatoru. Posljedično, ako bi pridonio stvaranju vrtloga različitih razmjera, onda bi se oni najčešće pojavljivali u polarnim širinama, što je u potpunoj suprotnosti s dostupnim podacima.

Dakle, gornja analiza uvjerljivo dokazuje da Coriolisova sila nema nikakve veze s procesom nastanka tajfuna, tornada, ciklona i svih vrsta vrtloga, o čijim je mehanizmima nastanka bilo riječi u prethodnim poglavljima.

Smatra se da je Coriolisova sila ta koja određuje njihove putanje, tim više što na sjevernoj hemisferi tajfuni, kao meteorološke formacije, tijekom svog kretanja skreću udesno, a na južnoj hemisferi ulijevo, što odgovara smjeru djelovanje Coriolisove sile u tim hemisferama. Čini se da je pronađen razlog za odstupanje putanja tajfuna - to je Coriolisova sila, ali nemojmo žuriti sa zaključcima. Kao što je gore spomenuto, kada se tajfun kreće duž površine Zemlje, Coriolisova sila će djelovati na njega, kao na jedan objekt, jednaka:

F k = 2MVΩ sin θ cos α, (21)

gdje je θ geografska širina tajfuna; α je kut između vektora brzine tajfuna kao cjeline i meridijana.

Da bismo otkrili pravi razlog odstupanja putanja tajfuna, pokušajmo odrediti veličinu Coriolisove sile koja djeluje na tajfun i usporedimo je s drugom, kao što ćemo sada vidjeti, stvarnijom silom.

MOĆ MAGNUSA

Na tajfun pokretan pasatom djelovat će sila koju, koliko je autoru poznato, nijedan istraživač još nije razmatrao u ovom kontekstu. To je sila interakcije tajfuna, kao jednog objekta, sa strujanjem zraka koje pokreće ovaj tajfun. Ako pogledate sliku koja prikazuje putanje tajfuna, postat će jasno da se kreću od istoka prema zapadu pod utjecajem tropskih vjetrova koji neprestano pušu, pasata, koji nastaju kao rezultat rotacije globusa. Istodobno, pasat ne nosi samo tajfun od istoka prema zapadu. Najvažnije je da na tajfun koji se nalazi u pasatu djeluje sila uzrokovana međudjelovanjem strujanja zraka samog tajfuna sa strujanjem zraka pasata.

Učinak pojave transverzalne sile koja djeluje na tijelo koje rotira u struji tekućine ili plina koji na njega udara otkrio je njemački znanstvenik G. Magnus 1852. godine. Očituje se u tome da ako rotirajući kružni cilindar teče oko nerotacijskog (laminarnog) toka okomito na njegovu os, tada u onom dijelu cilindra gdje je linearna brzina njegove površine suprotna brzini nadolazećeg toka, pojavljuje se područje visokog tlaka. A na suprotnoj strani, gdje se smjer linearne brzine površine poklapa s brzinom nadolazećeg toka, nalazi se područje niskog tlaka. Razlika tlakova na suprotnim stranama cilindra dovodi do Magnusove sile.

Izumitelji su pokušali iskoristiti Magnusovu moć. Projektiran je, patentiran i izgrađen brod na koji su umjesto jedara ugrađeni okomiti cilindri koje su pokretali motori. Učinkovitost takvih rotirajućih cilindričnih "jedara" u nekim je slučajevima čak premašila učinkovitost konvencionalnih jedara. Magnusov efekt koriste i nogometaši koji znaju da će joj putanja leta postati krivuljasta, ako joj pri udarcu daju rotacijsko kretanje. S takvim udarcem, koji se naziva "suhi list", možete poslati loptu u protivnički gol gotovo iz kuta nogometnog igrališta, koji se nalazi u liniji s golom. Odbojkaši, tenisači i igrači stonog tenisa također okreću loptu kada je udarena. U svim slučajevima, kretanje zakrivljene lopte duž složene putanje stvara mnogo problema protivniku.

Ipak, vratimo se tajfunu, kojeg pokreće pasat.

Pasati, stabilna zračna strujanja (koja neprekidno pušu više od deset mjeseci u godini) u tropskim širinama oceana, pokrivaju 11 posto njihove površine na sjevernoj hemisferi, a do 20 posto na južnoj hemisferi. Glavni smjer pasata je od istoka prema zapadu, ali se na visini od 1-2 kilometra nadopunjuju meridionalnim vjetrovima koji pušu prema ekvatoru. Zbog toga se na sjevernoj hemisferi pasati kreću prema jugozapadu, a na južnoj

Prema sjeverozapadu. Pasati su postali poznati Europljanima nakon prve Kolumbove ekspedicije (1492.-1493.), kada su njeni sudionici bili zadivljeni stabilnošću jakih sjeveroistočnih vjetrova koji su nosili karavele od obala Španjolske kroz tropska područja Atlantika.

Ogromna masa tajfuna može se smatrati cilindrom koji se okreće u zračnom strujanju pasata. Kao što je već spomenuto, na južnoj hemisferi se okreću u smjeru kazaljke na satu, a na sjevernoj hemisferi u suprotnom smjeru. Stoga, zbog interakcije sa snažnim strujanjem pasata, tajfuni i na sjevernoj i na južnoj hemisferi odstupaju od ekvatora - prema sjeveru, odnosno prema jugu. Ovu prirodu njihovog kretanja dobro potvrđuju opažanja meteorologa.

(Slijedi kraj.)

AMPEROV ZAKON

Godine 1920. francuski fizičar Anre Marie Ampere eksperimentalno je otkrio novi fenomen - međudjelovanje dvaju vodiča sa strujom. Pokazalo se da se dva paralelna vodiča privlače ili odbijaju ovisno o smjeru struje u njima. Vodiči se teže približiti jedan drugome ako struje teku u istom smjeru (paralelno), a udaljiti se jedan od drugoga ako struje teku u suprotnim smjerovima (antiparalelno). Ampere je uspio ispravno objasniti ovaj fenomen: dolazi do interakcije magnetskih polja struja, što je određeno "pravilom gimleta". Ako je glet uvijen u smjeru struje I, kretanje njegove drške pokazat će smjer linija magnetskog polja H.

Dvije nabijene čestice koje lete paralelno također tvore električnu struju. Stoga će njihove putanje konvergirati ili divergirati ovisno o predznaku naboja čestica i smjeru njihova kretanja.

Međusobno djelovanje vodiča mora se uzeti u obzir pri projektiranju jakostrujnih električnih zavojnica (solenoida) - paralelne struje koje teku kroz njihove zavoje stvaraju velike sile koje sabijaju zavojnicu. Poznati su slučajevi kada se gromobran od cijevi nakon udara groma pretvorio u cilindar: bio je komprimiran magnetskim poljima struje pražnjenja groma snage od stotina kiloampera.

Na temelju Ampereovog zakona ustanovljena je standardna jedinica struje u SI - amper (A). Državni standard "Jedinice fizičkih veličina" definira:

“Amper je jednak jakosti struje koja bi pri prolazu kroz dva paralelna ravna vodiča beskonačne duljine i zanemarivo male površine presjeka, smještena u vakuumu na međusobnoj udaljenosti od 1 m, izazvala međudjelovanje sile jednake 2 na dionici vodiča duljine 1 m . 10 -7 N.”

Detalji za znatiželjne

MAGNUSOVE I CORIOLISOVE SILE

Usporedimo učinak Magnusove i Coriolisove sile na tajfun, zamislimo ga u prvoj aproksimaciji u obliku rotirajućeg zračnog cilindra kojeg pokreće pasat. Na takav cilindar djeluje Magnusova sila jednaka:

F m = DρHV n V m / 2, (22)

gdje je D promjer tajfuna; ρ - pasat gustoća zraka; H je njegova visina; V n > - brzina zraka u pasatu; V t - linearna brzina zraka u tajfunu. Jednostavnim transformacijama dobivamo

Fm = R 2 HρωV n, - (23)

gdje je R radijus tajfuna; ω je kutna brzina rotacije tajfuna.

Pretpostavljajući kao prvu aproksimaciju da je gustoća zraka pasata jednaka gustoći zraka u tajfunu, dobivamo

M t = R 2 Hρ, - (24)

gdje je M t masa tajfuna.

Tada se (19) može napisati kao

F m = M t ωV p - (25)

ili F m = M t V p V t / R. (26)

Podijelimo li izraz za Magnusovu silu s izrazom (17) za Coriolisovu silu, dobivamo

F m /F k = M t V p V t /2RMV p Ω sinθ cosα (27)

ili F m /F k = V t /2RΩ sinθ cosα (28)

Uzimajući u obzir da se tajfunom prema međunarodnoj klasifikaciji smatra tropski ciklon u kojem brzina vjetra prelazi 34 m/s, mi ćemo u našim izračunima uzeti ovu najmanju brojku. Kako je geografska širina najpovoljnija za nastanak tajfuna 16 o, uzet ćemo θ = 16 o, a budući da se tajfuni neposredno nakon nastajanja kreću gotovo geografskim putanjama, uzet ćemo α = 80 o. Uzmimo da je radijus tajfuna srednje veličine 150 kilometara. Zamjenom svih podataka u formulu, dobivamo

F m / F k = 205. (29)

Drugim riječima, Magnusova sila premašuje Coriolisovu silu dvjesto puta! Dakle, jasno je da Coriolisova sila nema nikakve veze ne samo s procesom stvaranja tajfuna, već i s promjenom njegove putanje.

Na tajfun u pasatu djelovat će dvije sile - spomenuta Magnusova sila i sila aerodinamičkog pritiska pasata na tajfun, koja se može pronaći iz jednostavne jednadžbe

F d = KRHρV 2 p, - (30)

gdje je K koeficijent aerodinamičkog otpora tajfuna.

Lako je vidjeti da će kretanje tajfuna biti posljedica djelovanja rezultantne sile, koja je zbroj Magnusovih sila i aerodinamičkog tlaka, koji će djelovati pod kutom p u odnosu na smjer kretanja zraka u prometu. vjetar. Tangens ovog kuta može se pronaći iz jednadžbe

tgβ = F m /F d. (31)

Zamjenom izraza (26) i (30) u (31) nakon jednostavnih transformacija dobivamo

tgβ = V t /KV p, (32)

Jasno je da će rezultujuća sila F p koja djeluje na tajfun biti tangenta na njegovu putanju, a ako su poznati smjer i brzina pasata, tada će biti moguće izračunati tu silu s dovoljnom točnošću za određeni tajfun, čime se određuje njezina daljnja putanja, čime će se minimizirati šteta koju uzrokuje. Putanja tajfuna može se predvidjeti korištenjem metode korak po korak, pri čemu se vjerojatni smjer rezultirajuće sile izračunava u svakoj točki putanje.

U vektorskom obliku izraz (25) izgleda ovako:

F m = M [ωV p]. (33)

Lako je vidjeti da je formula koja opisuje Magnusovu silu strukturno identična formuli za Lorentzovu silu:

F l = q .

Uspoređujući i analizirajući ove formule, uočavamo da je strukturna sličnost formula prilično duboka. Dakle, lijeve strane oba vektorska produkta (M& #969; i q V) karakteriziraju parametre objekata (tajfun i elementarna čestica), a desne strane ( V n i B) - okoliš (brzina pasata i indukcija magnetskog polja).

Fizički trening

CORIOLIS SILE NA SVIRAČU

U rotirajućem koordinatnom sustavu, primjerice na površini zemaljske kugle, Newtonovi zakoni nisu zadovoljeni – takav koordinatni sustav je neinercijalan. U njemu se pojavljuje dodatna inercijalna sila koja ovisi o linearnoj brzini tijela i kutnoj brzini sustava. Okomita je na putanju tijela (i njegovu brzinu) i zove se Coriolisova sila, nazvana po francuskom mehaničaru Gustavu Gaspardu Coriolisu (1792-1843), koji je objasnio i izračunao ovu dodatnu silu. Sila je usmjerena na takav način da se za poravnanje s vektorom brzine mora zakrenuti pod pravim kutom u smjeru vrtnje sustava.

Možete vidjeti kako Coriolisova sila "radi" koristeći električni gramofon izvodeći dva jednostavna pokusa. Da biste ih izveli, iz debelog papira ili kartona izrežite krug i stavite ga na disk. Služit će kao rotirajući koordinatni sustav. Odmah napomenimo: disk igrača se okreće u smjeru kazaljke na satu, a Zemlja u suprotnom smjeru. Stoga će sile u našem modelu biti usmjerene u smjeru suprotnom od onih promatranih na Zemlji u našoj hemisferi.

1. Stavite dvije hrpe knjiga pokraj playera, odmah iznad pladnja. Postavite ravnalo ili ravnu šipku na knjige tako da jedan od njegovih rubova odgovara promjeru diska. Ako dok disk miruje, mekom olovkom povučete crtu duž šipke, od središta do ruba, tada će ona prirodno biti ravna. Ako sada pokrenete igrač i nacrtate olovku duž trake, ona će nacrtati zakrivljenu putanju koja ide ulijevo - u potpunom skladu sa zakonom koji je izračunao G. Coriolis.

2. Napravite slajd od hrpe knjiga i zalijepite na njega debeli papirni utor usmjeren duž promjera diska. Ako malu lopticu kotrljate niz žlijeb na nepokretni disk, kotrljat će se duž promjera. A na rotirajućem disku pomicat će se ulijevo (ako je, naravno, trenje pri kotrljanju malo).

Fizički trening

MAGNUS EFEKAT NA STOLU I U ZRAKU

1. Zalijepite mali cilindar od debelog papira. Snop knjiga stavite nedaleko od ruba stola i daskom ga spojite s rubom stola. Kada se papirnati cilindar otkotrlja niz nastali tobogan, možemo očekivati ​​da će se pomaknuti duž parabole od stola. Međutim, umjesto toga, cilindar će oštro zakriviti svoju putanju u drugom smjeru i odletjeti ispod stola!

Njegovo paradoksalno ponašanje sasvim je razumljivo ako se prisjetimo Bernoullijevog zakona: unutarnji tlak u protoku plina ili tekućine postaje niži što je brzina protoka veća. Na temelju tog fenomena radi, na primjer, pištolj za prskanje: viši atmosferski tlak istiskuje tekućinu u struju zraka sa smanjenim tlakom.

Zanimljivo je da se ljudski tokovi donekle pridržavaju i Bernoullijevog zakona. U podzemnoj željeznici, na ulazu u pokretne stepenice, gdje je promet otežan, ljudi se okupljaju u gustu, zbijenu gomilu. A na pokretnim stepenicama koje se brzo kreću slobodno stoje - "unutarnji pritisak" u protoku putnika pada.

Kada cilindar padne i nastavi se okretati, brzina njegove desne strane oduzima se od brzine nadolazećeg protoka zraka i dodaje joj se brzina lijeve strane. Relativna brzina strujanja zraka lijevo od cilindra je veća, a tlak u njemu manji nego desno. Razlika u tlaku uzrokuje da cilindar naglo promijeni svoju putanju i odleti ispod stola.

Coriolisovi i Magnusovi zakoni uzimaju se u obzir pri lansiranju raketa, preciznom gađanju na velikim udaljenostima, proračunu turbina, žiroskopa itd.

2. Omotajte papirnati cilindar papirnom ili tekstilnom trakom u nekoliko krugova. Ako sada oštro povučete kraj trake, ona će zavrtjeti cilindar i istovremeno ga pokrenuti prema naprijed. Kao rezultat toga, pod utjecajem Magnusovih sila, cilindar će letjeti, opisujući petlje u zraku.

Prije nekog vremena znanstvenici nisu mogli ni pomisliti da se na površini planeta formira dvjestotinjak ciklona i pedesetak anticiklona, ​​jer su mnoge od njih ostale nevidljive zbog nedostatka meteoroloških stanica u područjima gdje nastaju. Ali sada postoje sateliti koji bilježe promjene koje se događaju. Što su ciklone i anticiklone i kako nastaju?

Prvo, što je ciklon

Ciklon je veliki atmosferski vrtlog s niskim tlakom zraka. U njemu se zračne mase uvijek miješaju u smjeru suprotnom od kazaljke na satu na sjeveru i u smjeru kazaljke na satu na jugu.

Kažu da je ciklon pojava koja se opaža na različitim planetima, pa tako i na Zemlji. Nastaje zbog rotacije nebeskog tijela. Ova pojava je izuzetno snažna i sa sobom nosi jake vjetrove, oborine, grmljavinske oluje i druge pojave.

Anticiklona

U prirodi postoji nešto poput anticiklone. Nije teško pogoditi da se radi o suprotnoj pojavi od ciklone. Karakterizira ga kretanje zračnih masa u smjeru suprotnom od kazaljke na satu na južnoj hemisferi i u smjeru kazaljke na satu na sjevernoj hemisferi.

Anticiklone mogu stabilizirati vrijeme. Nakon njih, na teritoriju se postavlja mirno, tiho vrijeme: ljeti je vruće, a zimi hladno.

Cikloni i anticikloni

Dakle, što je ciklona i anticiklona? Riječ je o dvije pojave koje se događaju u višim slojevima atmosfere i donose različito vrijeme. Jedino što je zajedničko ovim fenomenima je da se događaju na određenim teritorijima. Na primjer, anticiklona se najčešće javlja iznad ledenih polja. A što je veća površina leda, to je anticiklona jača.

Stoljećima su znanstvenici pokušavali utvrditi što je ciklona, ​​koji je njen značaj i na što utječe. Ključni pojmovi ove atmosferske pojave su zračne mase i fronte.

Zračne mase

Preko mnogo tisuća kilometara horizontalne zračne mase imaju ista svojstva. Dijele se na hladne, lokalne i tople:

1. Hladni imaju nižu temperaturu od površine na kojoj se nalaze.
2. U toplim je veći nego na površini gdje se nalaze.
3. Lokalna masa je zrak čija se temperatura ne razlikuje od temperature teritorija koji se nalazi ispod nje.

Zračne mase nastaju na vrlo različitim dijelovima Zemlje, što određuje njihove karakteristike i različita svojstva. Područje nad kojim se formiraju zračne mase daje im ime.

Na primjer, ako se pojave iznad Arktika, daju im ime Arktik. Ovaj zrak je hladan, s maglom i izmaglicom. Tropske zračne mase donose toplinu i dovode do stvaranja vrtloga, tornada i oluja.

Cikloni

Atmosferski ciklon je područje niskog tlaka. Nastaje zbog dva strujanja zraka s različitim temperaturama. Središte ciklone ima minimalne atmosferske pokazatelje: tlak u središnjem dijelu je niži, a na rubovima je visok. Čini se da se zračne mase bacaju prema gore, stvarajući tako uzlazne zračne struje.

Po smjeru kretanja zračnih masa znanstvenici lako mogu odrediti na kojoj je hemisferi nastala. Ako se njegovo kretanje poklapa sa smjerom kazaljke na satu, onda je potjecao s južne hemisfere, a ako se zrak kreće suprotno, ciklona je došla sa sjeverne hemisfere.

U zoni djelovanja ciklona mogu se uočiti pojave kao što su nakupljanje oblačnih masa, nagle promjene temperature, oborine, grmljavinska nevremena i vihori.

Ciklon rođen nad tropima

Tropski cikloni razlikuju se od onih koji se javljaju nad drugim područjima. Ove vrste fenomena imaju različita imena: uragani, tajfuni, arkane. Tropski vrtlozi obično su veliki - do tri stotine milja ili više. Sposobni su tjerati vjetar brzinom većom od 100 km/h.

Posebnost ovog atmosferskog fenomena od ostalih je da se vjetar ubrzava na cijelom području ciklona, ​​a ne samo u određenim zonama, kao što je slučaj s ciklonima koji se javljaju u umjerenom pojasu. Glavni znak približavanja tropskog ciklona je pojava valova u vodi. Štoviše, ide u suprotnom smjeru od vjetra.

Sedamdesetih godina prošlog stoljeća tropski ciklon Bhola pogodio je Bangladeš, kojemu je dodijeljena treća kategorija od postojećih pet. Vjetar je bio slab, no prateća kiša uzrokovala je izlivanje rijeke Ganges, koja je poplavila sve otoke i odnijela sva naselja. Od posljedica ove katastrofe umrlo je više od 500 tisuća ljudi.

Ciklonske skale

Svako djelovanje ciklona ocjenjuje se na ljestvici uragana. Označava kategoriju, brzinu vjetra i olujnu plimu:

1. Prva kategorija se smatra najlakšom. Uz njega se opaža vjetar od 34-44 m/s. Olujna plima ne prelazi dva metra.
2. Druga kategorija. Karakteriziraju ga vjetrovi 50-58 m/s i olujna plima do 3 m.
3. Treća kategorija. Snaga vjetra može doseći 60 metara u sekundi, a olujna plima ne može doseći više od 4 m.
4. Četvrta kategorija. Vjetar - do 70 metara u sekundi, olujna plima - oko 5,5 m.
5. Peta kategorija se smatra najjačom. Uključuje sve ciklone s vjetrom jačine 70 metara u sekundi i olujnom plimom većom od 5,5 metara.

Jedan od najpoznatijih tropskih uragana kategorije 5 je Katrina, koji je ubio gotovo 2000 ljudi. Uragani "Wilma", "Rita", "Ivan" također su dobili kategoriju pet. Tijekom prolaska potonjeg kroz Ameriku formiralo se više od sto sedamnaest tornada.

Faze nastanka ciklona

Karakteristike ciklone određuju se prolaskom kroz teritorij. Istodobno se navodi njegov stupanj formiranja. Ima ih ukupno četiri:

1. Prva razina. Karakterizira ga početak formiranja vrtloga iz zračnih struja. U ovoj fazi dolazi do produbljivanja: ovaj proces obično traje oko tjedan dana.
2. Mladi ciklon. Tropski ciklon u svom mladom stadiju može ići u različitim smjerovima ili se kretati u obliku malih zračnih masa na kratke udaljenosti. U središnjem dijelu dolazi do pada tlaka, a oko središta se počinje formirati gusti prsten polumjera oko 50 km.
3. Faza zrelosti. Karakterizira ga prestanak pada tlaka. U ovoj fazi brzina vjetra doseže svoj maksimum i prestaje rasti. Radijus olujnih vjetrova nalazi se na desnoj strani ciklone. Ova faza može trajati od nekoliko sati do nekoliko dana.
4. Prigušenje. Kada ciklon dođe do kopna, počinje faza raspadanja. U tom razdoblju uragan može ići u dva smjera odjednom ili može postupno nestati, pretvarajući se u lakše tropske vihore.

Zmijski prstenovi

Cikloni (od grčkog "zmijskog prstena") su vrtlozi goleme veličine, čiji promjer može doseći tisuće kilometara. Obično nastaju na mjestima gdje se zrak s ekvatora sudara s nadolazećim hladnim strujama. Granica koja se formira između njih naziva se atmosferska fronta.

Tijekom sudara topli zrak sprječava prolaz hladnog zraka. U tim područjima dolazi do potiskivanja, a zračna masa je prisiljena dići se više. Kao rezultat takvih sudara između masa, tlak se povećava: dio toplog zraka prisiljen je skrenuti u stranu, popuštajući pritisku hladnog zraka. Tako dolazi do rotacije zračnih masa.

Rezultirajući vrtlozi počinju zahvaćati nove zračne mase i one se počinju kretati. Štoviše, kretanje ciklone u središnjem dijelu je manje nego duž periferije. U onim zonama gdje se vrtlog kreće oštro, opažaju se jaki skokovi atmosferskog tlaka. U samom središtu lijevka stvara se nedostatak zraka, a kako bi se to nekako nadoknadilo, hladne mase ulaze u središnji dio. Počinju istiskivati ​​topli zrak prema gore, gdje se on hladi, a kapljice vode u njemu se kondenziraju i stvaraju oblake iz kojih potom padaju oborine.

Vrtlozi mogu živjeti nekoliko dana ili nekoliko tjedana. U nekim su regijama zabilježene ciklone stare gotovo godinu dana. Ova pojava je tipična za područja s niskim tlakom.

Vrste ciklona

Postoji mnogo različitih vrsta vrtloga, ali ne uzrokuju svi razaranje. Na primjer, gdje su cikloni slabi, ali vrlo vjetroviti, mogu se primijetiti sljedeći fenomeni:

• Ogorčenje. Tijekom ovog fenomena brzina vjetra ne prelazi sedamnaest metara u sekundi.
• Oluja. U središtu ciklone brzina kretanja je do 35 m/s.
• Depresija. Kod ovog tipa, brzina ciklona je od sedamnaest do dvadeset metara u sekundi.
• Uragan. S ovom opcijom brzina ciklona prelazi 39 m/s.

Znanstvenici o ciklonima

Svake godine znanstvenici diljem svijeta bilježe intenziviranje tropskih ciklona. Postaju jači, opasniji, povećava se njihova aktivnost. Zbog toga se nalaze ne samo u tropskim geografskim širinama, već iu europskim zemljama, i to u netipičnim vremenima za njih. Najčešće se ovaj fenomen opaža u kasno ljeto i ranu jesen. U proljeće još nisu uočene ciklone.

Jedan od najjačih vihora koji je zahvatio europske zemlje bio je uragan Lothar 1999. godine. Bio je vrlo moćan. Meteorolozi ga nisu mogli otkriti zbog kvara senzora. Ovaj uragan uzrokovao je stotine smrtnih slučajeva i nanio ozbiljnu štetu šumama.

Zabilježite ciklone

Uragan Camila dogodio se 1969. U dva tjedna stigao je od Afrike do Amerike i postigao snagu vjetra od 180 km/h. Nakon prolaska kroz Kubu snaga mu je oslabila za dvadesetak kilometara, a znanstvenici su vjerovali da će dok stigne do Amerike još više oslabjeti. Ali bili su u krivu. Nakon što je prešao Meksički zaljev, uragan je ponovno ojačao. “Camila” je dobila petu kategoriju. Više od 300 tisuća ljudi je nestalo, a tisuće su ozlijeđene. Evo još nekoliko tužnih rekordera:

1. Ciklon Bhola iz 1970. bio je rekordan po broju žrtava, koji je odnio više od 500 tisuća života. Potencijalni broj žrtava mogao bi dosegnuti milijun.
2. Na drugom mjestu je uragan Nina koji je 1975. godine ubio više od sto tisuća ljudi u Kini.
3. Godine 1982. Srednjom Amerikom bjesnio je uragan Paul usmrtivši gotovo tisuću ljudi.
4. Godine 1991. ciklon Thelma pogodio je Filipine, usmrtivši nekoliko tisuća ljudi.
5. Najgori je bio uragan Katrina 2005. godine koji je odnio gotovo dvije tisuće života i napravio štetu od gotovo stotinu milijardi dolara.

Uragan Camila jedini je koji je stigao do kopna zadržavši svu svoju snagu. Udari vjetra dosezali su 94 metra u sekundi. Još jedan rekorder po snazi ​​vjetra zabilježen je na otoku Guam. Tajfun je imao vjetrove od 105 metara u sekundi.

Među svim zabilježenim vrtlozima, "Type" je imao najveći promjer, koji se protezao na više od 2100 kilometara. Najmanji tajfun je Marco, čiji je promjer vjetra samo 37 kilometara.

Ako je suditi po vijeku trajanja ciklona, ​​John je najduže bjesnio 1994. godine. Trajao je 31 dan. Drži i rekord za najdužu prijeđenu udaljenost (13.000 kilometara).