Какое направление ветра в самом циклоне?

В предыдущей статье был разобран вопрос о тех природных  силах, которые  порождают в атмосфере  мощные и разрушительные  тропические циклоны (ураганы) и  чуть более мелки смерчи и торнадо.

https://habr.com/ru/articles/832582/

Так оказалось, что основной  силой является тепловое конвективное движение воздуха от тёплой  поверхности воды вверх.

 При возникновении восходящих  конвективных потоков на больших площадях в тонких слоях атмосферы возникают отдельные тороидальные замкнутые потоки циркуляции воздуха - «ячейки Бенара». (см.рис.1.)

Рис. 1. Соприкосновение «ячеек Бенара» краями с  одинаковым направленным движением конвективного потока вверх. Интересно, что на схеме потоков (справа) неправильно показано направление циркуляции, чем противоречат тексту на картинке.  Правильным было бы падение потоков на краях тороидального вихря и подъём горячего потока в центре тороидальной ячейки. Указанное же  направление закрутки тороидального потока характерно для антициклона с холодным потоком по центру.

 

При  усилении в атмосфере  такой отдельной конвективной «ячейки Бенара» возникает смерч  (на море)  или торнадо (на суше).

 А вот если конвективных «ячеек Бенара»  в слое атмосферы много и где-то в общем равномерном слое возникает одна особо крупная «ячейка Бенара»,  то всё конвективное поле может объединиться в другую, уже более мощную структуру – «тропический циклон» (ураган).

 

Циклон- это результат объединения  множества конвективных «ячеек Бенара» вокруг наиболее горячего пятна воды в океане.

Земля- это шар, а потому нагревается он от Солнца неравномерно.

Интенсивность нагрева солнцем максимальна в полден в районе  экватора (осень и весна) или на широте тропиков ( зимой- южный тропик,  летом-северный тропик).

Мощность солнечного тепла на единицу поверхности Ез определяется  постоянной мощностью потока от солнца Ес и углом  А наклона поверхности к этому потоку:

Ез= Ес*sinА

Где Ес=1кВт/м2 – это мощность солнечного  света на уровне поверхности земли после прохода через слой атмосферы,    sinА – синус угла падения  солнечных лучей на землю,  угол  А=90 градусов в полдень на экваторе в равноденствие (21 сентября и 21 марта) или  в день солнцестояния 22 июня на Северном тропике (см.рис.2.)

Рис. 2. Распределение тепла по поверхности Земли в день летнего  солнцестояния 22 июня. Максимальная мощность тепла от солнца - 1кВт/м2 в районе Северного тропика, на Северном полюсе - 0,4кВт/м2, за Южным полярным кругом полная темнота «полярной ночи» -  0кВт/м2.

 

Максимальный нагрев воды в океане приходится на экваториальную зону между Северным тропиком и Южным тропиком. При этом  поток очень тёплой воды образует океанские течения от экватора к более высоким широтам, огибая  материки (см.рис.4.)

Рис. 4. Приблизительная схема океанских течений на Земле.

 

Тёплые экваториальные течения имеют непостоянное положение максимума температуры, так как зона максимального нагрева воды  смещается  в стороны от экватора  при смене сезонов от зимы к лету.

Летом  наиболее тёплая часть пассатного  течения смещается в сторону Северного тропика, а  Зимой-  в сторону Южного тропика.

Таким образом, летом самые мощные восходящие конвективные потоки в «ячейках Бенара» от  тёплой океанской воды возникают севернее экватора.

В какой-то момент какая-то одна гигантская «ячейка Бенара» чрезмерно разрастается и начинает подсасывать в себя окружающие более мелкие конвективные ячейки.

Именно так между экватором и тропиком в полосе наиболее нагретой  солнцем океанской воды  зарождается «тропический циклон». (см.рис.5-7.)

Рис.5. Цикл жизни циклона совпадает с маршрутом  южно-пассатного течения от Африки к  Мексиканскому заливу. Циклон жил с 18 по 27 июля, что является наиболее тёплым летним временем  в тропиках Северного полушария. Циклон слабеет над о.Куба, а затем опять набирает силу в горячих водах Мексиканского залива.

Рис. 6. Цикл жизни циклона совпадает с маршрутом  экваториального противотечения в Тихом океане, где оно  загибается об Мексику на северо-восток. Циклон жил с 30 июня по 7 июля, что является наиболее тёплым летним временем  в тропиках Северного полушария.

 

Рис. 7. Цикл жизни циклона совпадает с маршрутом  Восточно-Австралийского тёплого течения от экватора к Новой Зеландии (северный край острова внизу картинки). Циклон жил с 1 по 19 февраля, что является наиболее тёплым «летним» сезоном в Южном полушарие.

 

Упорядочивание потоков воздуха в объединении нескольких «ячеек Бенара»

Когда одна конвективная «ячейка Бенара» распухает на столько, что  подхватывает в свою циркуляцию окружающие её более мелкие конвективные ячейки, то в совокупности возникает новая более сложная циркуляционная система воздушных потоков.

 Так мелкие «ячейки Бенара» получают  дополнительное общее направление движения к центру главной ячейки.

При этом собственная  циркуляция в мелкой ячейке не только не останавливается, а даже усиливается по мере перехода на более тёплые воды ближе к центру «главной ячейки».

Так возникает сложное  спиральное движение воздуха к центру будущего циклона, при этом ось спирали расположена горизонтально в направлении центра циклона, а круговая циркуляция осуществляется за счёт конвективного потока периферийной «ячейки Бенара».

Выстроенные в ряд к центру  циклона «ячейки Бенара» объединяются в «шнуры Бенара».(см.рис.8-9.)

Рис. 8.  Возникновение  «ячеек Бенара» в тонком слое нагреваемой среды (слева),  цилиндрический  конвективные  потоки  «шнуры Бенара» (справа) .

Рис.9.  Цилиндрический  конвективные  потоки  «шнуры Бенара» (сверху) и тороидальные  потоки в «ячейках Бенара» (снизу)  в тонком слое нагреваемой среды (l- циклон, g- антициклон).

 

В итоге получается единый Циклон, как совокупность сходящихся к общему центру спирально-конвективных потоков воздуха типа «шнуров Бенара».

По мере продвижения спирального потока ц центру циклона скорость ветра увеличивается (см.рис.10-11.)

Рис.10.  Распределение восходящих и нисходящих потоков внутри циклона  в целом и  в отдельных спиральных рукавах. Также на графике  показано увеличение  силы ветра по мере приближения к центру циклона.

Рис.11. Разрез циклона, где видно изменение характера  облачности в зоне низового ветра к центру циклона (кучевые-дождевые облака) и в зоне обратного стратосферного ветра из центра циклона (перистые облака).

 

Две картинки с разрезами циклона имеют общую проблему, а именно: сечение выполнено по радиусу.

Такое сечение вводит в заблуждение и не позволяет правильно выстроить истинную форму потоков воздуха в индивидуальных  горизонтальных спиральных струях «шнуров Бенара».

Чтобы правильно смоделировать воздушные потоки в циклоне необходимо к радиальному разрезу добавить серию разрезов по концентрическим окружностям.

Так разрез по окружностям будет давать совсем иную картину, чем  сечение по радиусу циклона.

 

Шквалы ветра на море

Шквал-  резкое усиление ветра, длящееся от нескольких секунд до нескольких часов.

Шквалы возможны даже в ясную  погоду от одинокой тучки или вообще  без явного видимого источника (голубой термик).

Шквал  возникает, когда  над поверхностью воды движется устойчивый конвективный вихрь типа «ячейка  Бенара» или «шнур Бенара». (см.рис.12.)

Рис. 12.  Схема возникновения локального «шквала» ветра.

 

Шквалистая  структура циклона

Если рассматривать скорость и направление ветра внутри Циклона только у поверхности  моря, то мы получим систему  разнонаправленных шквалов (см.рис.13.)

Рис. 13. Направление  ветра в циклоне вблизи поверхности. Ветер у поверхности явно направлен не к центру циклона, а куда-то сильно мимо центра. Тем не менее, вся масса воздуха над морем в среднем движется именно к центру циклона.

 

Если смотреть направление ветра в более высоких слоях  под низкими дождевыми облаками, то  там направление  ветра станет другим, чем у поверхности моря, а именно: мимо центра  циклона с другой стороны.

Суммарно  потоки ветра  над морем и потоки в облаках  в одном «шнуре Бенара»  в среднем направлены в «глаз циклона» с небольшим смещением  вбок за счёт ускорения Кориолиса , направленного вправо в Северном полушарие. (см.рис.14.)

Рис.14. Направление ветра внутри отдельных пар «шнуров Бенара»: красные стрелки  - это нижние горячие потоки в отдельном «шнуре», верхние- остывшие потоки в том же «шнуре». А- пара «шнуров» встречного вращения с резким изгибом об зону низкого давления в «глазу циклона», которые при  развороте о «глаз циклона» меняют положение относительно друг друга (левый встаёт справа). В зоне глаза «шнур Бенара»  изгибается как вбок, так и перестраивается по эшелону с подъёмом вверх. Б- нижний слой входящих в циклон потоков;  В- верхний слой циклона: обратный ход  воздуха из циклона в стратосфере.

 

Изгиб «шнура» о «глаз циклона» и выброс его в верхний уровень для стока обратно на периферию циклона  необходим для сохранения неразрывности  среды. При этом соприкосновение «шнура» с зоной низкого  давления в «глазу циклона» создаёт центростремительное ускорение в шнуре для его изгиба в пространстве.

Ниже представлен разрез вдоль «шнура Бенара» как составного  элемента циклона. Воздух идёт по спирали (на разрезе спираль выглядит как волнистая линия) от периферии к «глазу циклона» постепенно разгоняясь на каждом цикле «нагрев+увлажнение/ остывание+осушение».  (см.рис.15.)

Рис. 15. Развитие мелкой облачности из отдельных «ячеек Бенара» в сплошной «шнур Бенара» внутри циклона. Происходит постепенное  наращивание амплитуды и скорости восходяще-нисходящих спиральных потоков в «шнуре»  при продвижении к «глазу циклона» по мере роста температуры воды под циклоном. А-Верхняя схема- «шнур» от «глаза» уходит дальше со слоем перистых облаков на противоположный край циклона (без резкого разворота назад). Б-Нижняя схема- это привычная версия с  резким разворотом потока воздуха от «глаза» в обратную сторону.

 

Высота облачности в каждом  участке «шнура» определяет разрежение у воды и разгон  горизонтального ветра у воды под этим  облаком: чем выше облако -  тем выше скорость ветра у воды. 

Если двигаться по «шнуру» от внешнего края к «глазу циклона», то  будет постоянно ощущаться  сильный ветер в один бок и сзади, причём с постоянным ростом  его скорости, но без изменения направления.

Чтобы ощутить «шквал» и смену направления ветра внутри циклона нужно пересекать  границы «шнуров». (см.рис.16.)

Рис. 16. Цилиндрическое сечение циклона, которое разрезает отдельные «шнуры Бенара» поперёк. При виде сверху облачный ряд одной пары «шнуров» выглядит как отдельная грядка облаков, ограниченная с боков участком чистого неба (на периферии циклона) или углублением в облачности (ближе к «глазу циклона»).

 

Движение  кораблей  и самолётов через циклон

При движение корабля через циклон поперёк «шнуров Бенара» происходит пересечение  границ «шнуров»  курсом корабля с резкой сменой ветра по направлению на границах отдельных «шнуров Бенара».

В зонах циклона, где доминируют восходящие потоки, там скорость горизонтального ветра резко снижается.

Это циклическое изменение силы ветра с ураганного  на умерены ветер  на границе «шнуров» воспринимается как последовательная череда «шквалов» с разных сторон, причём при снижении скорости ветра в восходящих потоках  на границе шнуров резко усиливается дождь. (см. рис.17.)

Рис.17. Разрез циклона с  пересечением  отдельных витков «шнуров Бенара» вблизи «глаза  циклона» Также видно наличие встречных потоков воздуха в разных частях вихревых «шнуров Бенара».  В центре глаза циклона возникает  зона низкого давления, куда всасывается  нисходящий сухой и холодный воздух из стратосферы.

 

Интересно, что высота  облачности в зоне вокруг «глаза циклона» указана  аж до 16км.

Заброс кучево-дождевых облаков  до высоты 16 км в центре  циклона представляет большую опасность для коммерческих турбореактивных самолётов, которые обычно не могут подниматься выше 12 км.

Таким образом, гражданскому самолёту будет грозить катастрофа при встрече с мощными вихрями верхней части циклона на предельной для самолёта  высоте полёта.

Обычные куче-дождевые облака располагаются не выше 9 км,  а самолёты спокойно летят в чистом голубом  небе  на эшелонах 10-12км сильно выше облаков, где нет тряски на «турбулентности»  от   встрече с выбросами восходящих «термиков» в облаках. (см.рис.18.).

Рис.18. Расположение  облаков  по высоте атмосферы Земли.

 

Вид «шнуров Бенара» в реальных циклонах

Описанные ранее одиночные «шнуры Бенара» могут быть отчётливо различимы как борозды в тумане на фото   циклонов из космоса .(см.рис.19-22.)

Рис.19.  Вид на «глаза циклона» из космоса. Видны выстроенные спиральными рядами бугры куче-дождевых облаков вокруг «глаза циклона». Видно, что вал куче-дождевых плотных облаков вокруг «глаза циклона» поднимается до уровня перистых облаков в стратосфере.

Рис.20.  Вид на стену «глаза циклона» изнутри с борта самолёта. Видны выстроенные спиральными рядами бугры куче-дождевых облаков вокруг «глаза циклона». Поток холодного сухого воздуха из стратосферы по центру «глаза циклона» вызывает интенсивное  образование туманной дымки над морем при почти полном штиле.

Рис.21. Вид на «глаз циклона» из космоса. Видны выстроенные спиральными рядами бугры куче-дождевых облаков вокруг «глаза циклона». За границей «глаза циклона» верхние слои облаков обратного тока превращаются из плотных куче-дождевых в полупрозрачные перистые облака.

Рис.22. Вид на «глаза циклона» из космоса. Видны выстроенные спиральными рядами бугры куче-дождевых облаков вокруг «глаза циклона».

Напоследок интересное короткое видео про  аномальный  тропический циклон этого 2024 года рождения.

Там прослежен его традиционный маршрут  вдоль Южно-пассатного атлантического течения с резким затуханием к п-ову Юкатан, и внезапный рывок на север в Техас с набором силы в тёплой луже Мексиканского залива.

https://dzen.ru/video/watch/668e9713768fc17b65c58805?clid=1400&rid=3383007232.1172.1722523378134.30563

 

Различия  «глаза циклона» и точки касания земли смерчем.

Циклон более сложная вихревая структура, чем смерч (торнадо).

По этому у них по разному происходит отрыв потоков  от земли с переходом в верхний обратный сток.

Если в «глазу циклона» присутствует  ультранизкое давление у поверхности воды, то изгиб приземных потоков воздуха в смерче вызывает появление ударной зоны торможения воздуха у земли с повышенным давлением в ней.

Это хорошо видно на видео, когда маленький торнадо проходить по автомобилю и прицепу: приподнимает их над землёй с совсем небольшим  вращением  и никуда при этом их не уносит (см.видео. 1:50-2:09  и 04:55-05:07)

https://dzen.ru/video/watch/6510102cdfe02a15fa8d5b77?clid=1400&rid=97534251.1151.1722523326195.46377&t=10

То есть под днищем автомобиля образовалось избыточное давление от сходящихся со всех сторон  вдоль земли потоков воздуха к «пятке торнадо». 

Эта зона ударного торможения с высоким  избыточным давлением в какой-то момент оказалась под автомобилем, приподняв его над землёй на несколько секунд.

При этом в «облачном  конусе» вихря наблюдается сильное разрежение с выпадением туманного конденсата, а в наземной «пятке» создаётся  сильное избыточное давление (способное оторвать автомобиль от земли).

Нижний и верхний конусы Торнадо (смерча)  имеют сильную разницу по давлению, а потому разделены друг от друга перемычкой всестороннего обжатия (ветровой узел-удавка). Это локальное пережатие между двумя зонами с разным давлением  создано резко изгибающимися потоками, соударяющимися друг с другом на оси вихря вблизи земли. (см.рис.23.)

Рис. 23. Схема Торнадо в месте  ударной встречи  потоков воздуха, сходящихся в одну точку вдоль земли. При этом для разворота струй воздуха от горизонтального направления  до вертикального направления вверх им нужна зона избыточного давления у земли. Именно это избыточное давление в «пятке торнадо»  создаёт центростремительное ускорение, изгибающее потоки воздуха.

При внимательном рассмотрении фотографий  смерчей и торнадо эти особенности структуры вихрей можно проследить по косвенным признакам.(см.рис.24-26.)

Рис.24. Удачный кадр смерча на просвет  к солнцу, так что видна внутренняя структура «туманного конуса». Конус пережат «узлом» не доходя  до поверхности моря.

Рис.25.  Лучший кадр торнадо, где цветом  пыли и  размером фракций загрязнений выделены отдельные структуры вихря.

Рис.26. Этапы развития одного смерча. «Пяточный узел» на поверхности моря присутствует на всех этапах развития смерча.

На просторах интернета встречается большое разнообразие версий устройства вихря торнадо в виде графических «схем-объяснялок».

Причём во всех семах есть сильные отличия в некоторых ключевых моментах.

То есть единого общепризнанного объяснения механизма смерча (торнадо)  до сих пор нет. (см.рис.27-32)

Рис.27. Картинка из  сети на ту же тему. Показаны сходящиеся потоки к нижнему пятаку, а  вот узел с пережатым  концом «туманного  конуса» из облака скрыт в облаке пыли  у земли. Тут есть ещё вопрос: Куда  и зачем спускается воздух по «туманному конусу» из облака?

Рис.28. Хорошо  показаны сходящиеся потоки к нижнему пятаку, как клещами стягивающие нижний конец туманного  конуса из облака. Ну, и тут есть вопрос: Куда  и зачем спускается воздух по «туманному конусу» из облака?

Рис.29. Привожу нарисованное  чужое изображение потоков  воздуха поверх реального фото Торнадо. Это пример того, что предлагаемая мной модель потоков в Торнадо приходила в голову и другим умным людям. Резкие завитки у земли- это выбивание пыли высоким давлением из под «пятки вихря».

Рис.30. Традиционная схема устройства  смерча, где детали устройства узла контакта с поверхностью привычно  замалчивается как «несущественная мелочь». Указанная скорость до 200м/с скорее относится к вертикальной скорости, чем к круговой. Круговая составляющая скорости в  шнуре смерча  в разы меньше, чем вертикальная составляющая.

Рис.31. Популярная, но ОШИБОЧНАЯ схема устройства  смерча, где в зоне контакта вихря с поверхностью земли показан всасывающий раструб с сильным  разрежением на самой поверхности земли. Также вызывает сомнение  давление  0,4 атм в шнуре и конусе торнадо: Как это сильное падение  давления в конусе отделено от низко висящего  облака над торнадо? При том надо учитывать, что в самом облаке давление много выше, чем величина 0,4 атм.

 

Рис.32. Ещё одна интересная версия  устройств  вихря Торнадо. Пятку торнадо  выделили отдельным рисунком в крупном масштабе (справа) . Правда, тут  не очень понятно какими силами по центру  вихря поток воздуха из облака  сначала падает  вниз до земли, а потом  резко разворачивается и устремляется вдоль «туманного конуса» обратно наверх?