НЕЛИНЕЙНАЯ ДИНАМИКА ВИХРЕЙ В ОТКРЫТЫХ НЕРАВНОВЕСНЫХ СИСТЕМАХ С ОБЪЕМНЫМ СТОКОМ ВЕЩЕСТВА И МЕХАНИЗМ РОЖДЕНИЯ ТОРНАДО И ТАЙФУНОВ
Пашицкий Э.А.

Поступила в редакцию: 25 Октября 2009

DJVU (422.9K)

PDF (2626.8K)

На основе общих представлений о нелинейной динамике вихрей в открытых термодинамически неравновесных системах с объемным или поверхностным стоком вещества рассмотрен механизм рождения крупномасштабных атмосферных вихрей (торнадо, тайфунов, циклонов) в процессе формирования мощных облачных систем благодаря интенсивной конденсации водяного пара во влажном воздухе, охлажденном ниже точки росы. Найдены простые частные решения уравнений Навье - Стокса, которые описывают как аксиально-симметричные, так и аксиально-несимметричные вихри с радиальными и вертикальными потоками и в условиях несжимаемости воздуха приводят к тождественному обращению в нуль кинематической вязкости во всем объеме, за исключением тонкого переходного слоя на границе области конденсации. Показано, что под действием нелинейной конвективной и локальной кориолисовой гидродинамических сил, которые создаются сходящимися радиальными потоками при ненулевой начальной завихренности воздуха за счет глобальной силы Кориолиса, обусловленной вращением Земли, происходит ускорение «твердотельного» вращения сердцевины воздушного вихря либо по экспоненциальному закону, либо по сценарию нелинейной «взрывной» неустойчивости. Благодаря наличию восходящих вертикальных потоков такой вихрь обладает ненулевой спиральностью. Данный механизм позволяет объяснить целый ряд наблюдаемых свойств и характерных особенностей структуры и эволюции торнадо и тайфунов. Проведены оценки максимальных кинетических энергий мощных атмосферных вихрей. Показано, что рост кинетической энергии вращения атмосферных вихрей при постоянном радиусе сердцевины вихря не противоречит законам сохранения энергии и момента импульса, поскольку в открытой системе сходящиеся радиальные потоки воздуха непрерывно поставляют необходимое количество кинетической вращательной энергии из окружающей глобально завихренной атмосферы.