Механизм образования циклонов

1.3.3. Теория воздействия силы Кориолиса.

 

Традиционное объяснение механизма образования циклонов сводится к воздействию силы Кориолиса  на воздушные потоки. Сила Кориолиса (по имени французского учёного Гюстава Гаспара Кориолиса, впервые его описавшего) -- одна из сил инерции, существующая в неинерциальной (вращающейся) системе отсчёта из-за вращения и законов инерции, проявляющаяся при движении в направлении под углом к оси вращения. Ускорение Кориолиса было получено Кориолисом в 1833 г., Гауссом в 1803 г. и Эйлером в 1765 г.

Причина появления силы Кориолиса - в кориолисовом (поворотном) ускорении. Для того, чтобы тело двигалось с кориолисовым ускорением, необходимо приложение силы к телу, равной F = ma, где a - кориолисово ускорение. Соответственно, тело действует по третьему закону Ньютона с силой противоположной направленности. FK = ? ma. Сила, которая действует со стороны тела, и будет называться силой Кориолиса.

СИЛА КОРИОЛИСА.

На тело, движущееся во вращающейся  системе отсчёта, например, на поверхности  вращающегося диска или шара, действует  инерционная сила, называемая силой  Кориолиса. Эта сила определяется векторным  произведением

FK=2M[VЩ], (1)

где М - масса тела; V - вектор скорости тела; Щ - вектор угловой скорости вращения системы отсчёта, в случае земного шара - угловой скорости вращения Земли, а [VЩ]- их векторное произведение, которое в скалярном виде выглядит так:

Fл = 2M | V | | Щ | sin б

где б - угол между векторами.

На экваторе и полюсах нет  циклонов, т.к. сила Кориолиса там  не действует.

1.3.4. Гидродинамическая теория.

 

Гидродинамическая теория возникновения  и развития циклонов и антициклонов еще мало разработана, хотя и достигнуты определенные успехи в предвычислении поля давления с использованием быстродействующих электронных счетных машин.

В системе общей циркуляции атмосферы большую роль играют внетропические циклоны и антициклоны, имеющие  различную вертикальную протяженность. В отдельных случаях мощные центральные  циклоны прослеживаются до высот 20— 25 км при диаметре более 2 тыс. км.

Взгляды на причины возникновения  и развития циклонов и антициклонов внетропических широт за последнее  столетие подвергались большим изменениям, чем на другие атмосферные объекты. Не останавливаясь на различных представлениях в прошлом, отметим, что и в  настоящее время нет общепринятой теории циклонов. Главный недостаток существующих теорий заключается в том, что они не позволяют установить количественных критериев, с помощью которых можно было бы определить возникновение и развитие этих барических образований.

1.3.5. Волновая теория.

 

Волновая теория, предложенная норвежскими метеорологами, рассматривает  циклоны как образование волн на поверхностях разрыва в атмосфере. На основе теоретических разработок принято, что поверхность разрыва  является неустойчивой относительно волн, длиной около 1000—2500 км. Однако эта теория может объяснить лишь первоначальное понижение давления и образование  возмущения, но не содержит объяснения развития и превращения его в  глубокий циклон. Поэтому дальнейшая эволюция циклона объясняется лишь качественно, вне основной теории.

1.3.6. Теория Кочина.

 

По Н. Е. Кочину, потеря устойчивости на поверхностях раздела происходит не вследствие движений, перпендикулярных плоскости раздела, а в результате почти горизонтальных движений, направленных к поверхности раздела под малым углом. В последующем, теория Н. Е. Кочина была развита М. И. Юдиным и Е. Н. Блиновой. Однако и эта волновая теория циклонов не учитывает такой важный фактор, как адвекцию температуры, играющую важную роль в возникновении и развитии барических образований. Кроме того, по волновой теории предполагается, что при возникновении циклона колебание охватывает всю поверхность раздела. В действительности, в начале возникновения циклона возмущение поля давления и поля течений происходит в приземном слое воздуха, в то время как даже в средней тропосфере оно весьма незначительно.

1.3.7. Теория Манташьяна.

 

Рассмотрим теперь теорию, разработанную инженером и патентоведом Павлом Николаевичем Манташьяном, объединяющую природные объекты и явления, отличающиеся в миллиарды раз - спиральные галактики и вихри в атмосфере, тайфуны и молекулы воды, которые вращаются в магнитном поле земли, подчиняются одним и тем же законам. Его гипотеза предполагает, что первопричина возникновения циклонов - появление момента количества движения у дипольной молекулы воды, движущейся в магнитном поле земли.

(Из-за полярности связей О-Н  и уголковой формы молекула  воды представляет собой электрический диполь. Электрический диполь - частица или тело, несущая равные по модулю положительный и отрицательный заряды, не совпадающие в пространстве.)

При движении молекулы воды в магнитном  поле Земли её массивная отрицательно заряженная часть ОН играет основную роль в образовании момента количества движения и задаёт направление вращения молекулы. Данные о корональных выбросах Солнца, приводящих к потокам положительно заряженных частиц, влияющих на образование  тайфунов, полностью подтверждают теорию.

Формула силы Лоренца содержит четыре сомножителя, каждый из которых может быть положительным или отрицательным. В случае с корональным потоком, состоящим преимущественно из положительно заряженных частиц, каждая из которых в тысячи раз превосходит по массе электрон, их векторы скорости направлены прямо противоположно вектору скорости восходящего потока. Следовательно, они противоположны по знаку, то есть знак меняется у двух сомножителей из четырёх, что никак не отражается на знаке их произведения.

Следовательно, положительно заряженные частицы корональных выбросов Солнца действительно способствуют образованию  циклонов.

 

Глава 2. Практическая часть.

Эксперимент №1.Если положительный электрод подключить к оси шара, а второй (отрицательный) электрод поместить в воде в ближнюю зону намагниченного шара в северном полушарии, то в зоне второго электрода фиксируется активное локальное вихревое движение жидкости, напоминающее циклон или торнадо.

На рис.1 представлен этот эксперимент. На рис.6 изображены: 1 - сосуд, 2 - электропроводная жидкость, 3 – металлический диск, 4,5 – намагниченные полушария, 6 - ось, 7 – электрод, 8 – подшипник, 9 – электрод, 10 – изолятор, 11 – вихрь.

Рис.1. Вращение намагниченного шара и  возникновение локального вихревого  движения жидкости, напоминающего циклон в северном полушарии. 

Направление вихревого движения жидкости полностью соответствует вихрям циклонов в северном полушарии. При  этом одновременно с таким мини-циклоном наблюдается вращение намагниченного шара.

Эксперимент №2. Если второй (отрицательный) электрод поместить в ближнюю зону намагниченного шара в южном полушарии, в зоне электрода также фиксируется активное вихревое движение жидкости (рис.2).

На рис.2 изображены: 1 - сосуд, 2 - электропроводная жидкость, 3 – металлический диск, 4,5 – намагниченные полушария, 6 - ось, 7 – электрод, 8 – подшипник, 9 – электрод, 10 – изолятор, 11 –  вихрь.

Наблюдается вихревое движение, в  котором направление вращения полностью  соответствует вихрям циклонов в  южном полушарии (рис.2). При этом одновременно с появлением мини-циклона  наблюдается вращение намагниченного шара.

Рис.2. Вращение намагниченного шара и  возникновение локального вихревого  движения жидкости, напоминающего циклон в южном полушарии.

Эксперимент №3. Если второй электрод поместить в воде в зоне экватора (рис.3), то в зоне электрода не наблюдается вихревого движения жидкости. Наблюдается безвихревое движение жидкости вдоль экватора. При этом одновременно наблюдается вращение намагниченного шара. На рис.3 изображены: 1 - сосуд, 2 - электропроводная жидкость, 3 – металлический диск, 4,5 – намагниченные полушария, 6 - ось, 7 – электрод, 8 – подшипник, 9 – электрод, 10 – изолятор.

 

Рис.3. Вращение намагниченного шара и  возникновение безвихревого движения жидкости в зоне условного экватора.

Эксперимент №4. Если первый (положительный) электрод подключить к оси шара, а два вторых (отрицательных) электрода поместить в ближнюю зону намагниченного шара одновременно в северном и южном полушарии, как это показано на рис.4, то в зонах вторых электродов фиксируются вихревые движения жидкости в противоположных направлениях. Наблюдаются вихревые движения жидкости, в которых направления вращений полностью соответствует вихрям циклонов в северном и южном полушариях. При этом одновременно с появлением мини-циклонов наблюдается вращение намагниченного шара.

На рис.4 изображены: 1 - сосуд, 2 - электропроводная жидкость, 3 – металлический диск, 4,5 – намагниченные полушария, 6 - ось, 7 – электрод, 8 – подшипник, 9 – электроды, 10 – изоляторы, 11 - вихри.

 

Рис.4. Вращение намагниченного шара и  возникновение локальных вихревых движений жидкости, напоминающих циклоны  в северном и южном полушарии.

Если плавно перемещать электрод в  ближней зоне магнита от экватора к полюсам, то заметное вихревое движение жидкости начинает появляться где-то в  зоне седьмой-десятой параллели (если условно проводить аналогию с  Землей). При дальнейшем перемещении  к полюсам интенсивность мини-циклонов возрастает.

 

Глава 3. Заключение.

 

Целью данной курсовой работы являлось исследование механизма образования циклонов. Проведя все необходимые научные изучения, необходимо чётко усвоить весь структурно-функциональный комплекс образования циклона, которые дают полную картину только в совместном рассмотрении. По окончании моей исследовательской работы, для меня стали понятны механизмы образования такого явления, как циклон. Оказалось, что они (механизмы) не столь сложены, как я себе представляла, даже наоборот, если разобраться, то все довольно просто и понятно.

Также я поняла, что все в природе не просто так, всему есть логичное объяснение.

Наиболее правдоподобной теорией для меня показалась теория Манташьяна, объединяющая природные объекты и явления.

Несмотря на это, Необходимо понимать, что наука развивается, и, возможно вскоре будут выдвинуты новые теории о механизме образования циклонов.

 

Список  источников.

 

1. А.А. Крубер "Общее землеведение". Государственно учебно-педагогическое издательство, Москва - Ленинград, 1938 г. Публикуется с небольшими сокращениями.
2. А.В. Бялко. Наша планета - Земля. Библиотечка "Кванта" вып. 29, М., Наука, 1989.
3. Н.В. Косинов. Физический вакуум и гравитация. Физический вакуум и природа, N4, 2000, с.55 - 58.
4. П.И. Бакулин, Э.В. Кононович, В.И. Мороз. Курс общей астрономии, М., Наука, 1983.
5. П.Н. Манташьян «Вихри - от молекулы до галактики»/ П.Н. Манташьян// Наука и жизнь. - 2008. - N 2,3,5. - [Электронный ресурс]; Режим доступа: http://www.nkj.ru/archive/articles/13032/ (26.05.09), свободный.
6. Р. Скорер. Аэрогидродинамика окружающей среды, М., Мир, 1980. 
7. С.Т. Жуков «Химия 8-9 класс» [Электронный ресурс]; Режим доступа: http://www.chem.msu.su/rus/school/zhukov1/10.html (26.05.09), свободный.
8. Электронная всемирная энциклопедия "Википедия".