Лилия Алексеева - Небесные сполохи и земные заботы

Нельзя сказать, что циклон обязан своим существованием центральной области пониженного давления, хотя, как мы только что видели, спиральность воздушных потоков и направление вращения циклона связаны с наличием такой области. Действительно, многие образующиеся по тем или другим причинам области пониженного давления быстро «заполняются» устремляющимися в них (по спирали, конечно) потоками воздуха, и давление выравнивается. Но такого выравнивания не происходит и давление в области продолжает падать, когда на ней «заводится» циклон со всем комплексом его признаков (восходящими потоками и пр.). Что тут есть следствие чего, неясно.

Наконец, нельзя считать, что вращение Земли, определяющее направление вращения циклона и антициклона, так уж принципиально важно для развития атмосферного вихря. У циклона есть родственник — вихревое образование, гораздо меньшее по размерам, зато с гораздо большими скоростями ветра: смерч, или торнадо. В его центральной части имеются восходящие потоки, и, самое главное, зона пониженного давления в его центре выражена намного резче, чем у циклона (люди, над которыми прошел смерч, говорят, что изнутри он выглядит, как внутренность высокой стопки автомобильных шин). И вот, несмотря на это, встречаются смерчи, которые вращаются не в ту же сторону, что циклоны того же полушария, а в противоположную. Ясно, что вращение этих вихрей не предопределяется вращением Земли.

Не удивительно, что происхождение циклонов и антициклонов (циклогенез) считается одним из труднейших вопросов метеорологии.

Еще менее изученными оказываются смерчи, хотя вниманием людей они не обделены. Они часто случаются в Соединенных Штатах Америки: лишь в течение одного месяца — мая 1982 года — над разными районами США промчалось в общей сложности 365 смерчей. В этой стране смерчи считаются подлинным национальным бедствием, настолько велика их разрушительная сила. В сельскохозяйственном штате Канзас, например, фермерские семьи имеют специальные убежища, чтобы прятаться при приближении смерча.

Смерч появляется внезапно, на своем пути он перемалывает почти все (в том числе и приборы, которые могли бы замерить его физические характеристики). Правда, некоторые предметы, встретившиеся ему на пути, он оставляет совершенно неповрежденными. Известен случай, когда в налетевшем смерче исчезли коровник и корова, но женщина, доившая ее в коровнике, осталась сидеть на месте; возле нее, как и прежде, стояло ведро с молоком. Разнообразием своего поведения смерч похож на живое существо, действующее по своей воле и всячески не желающее, чтобы его изучали.

На эту тему написал один из своих рассказов известный писатель–фантаст Рей Брэдбери. В нем утверждается, что смерч непостижим для современной науки потому, что обладает способностью усваивать интеллекты погибших в нем исследователей–метеорологов. Больше того чувствуя, что кто–то о нем слишком много знает, смерч начинает гоняться за этим человеком и в конце концов настигает его. Тем самым смерч спасается от разоблачения и заодно умнеет еще больше. При нашем уровне знаний о смерчах нетрудно поверить и фантасту.

Собственно природа вихрей — это предмет исследования уже не столько метеорологии, сколько другой науки — механики жидкости и газа. В самом деле, метеоролог, например, изучает условия, при каких возникают тропические циклоны, а при каких — смерчи. Он выясняет, что тропические циклоны, как правило, появляются над морем, а смерчи — над сушей, над теми ее областями, где сталкиваются разные по температуре, плотности, влажности воздушные массы и холодные потоки движутся ниже слоев теплого влажного воздуха. Но, хотя условия возникновения ураганов и смерчей разные, сами вихри оказываются похожими. Значит, свойства их определяются самой средой — воздухом.

По существу, вихри отличаются друг от друга лишь размерами и, если можно так выразиться, развитостью вихревых свойств. Чем меньше вихрь по размерам, тем ярче выражены его вихревые свойства. Сопоставим, например, те вихри, в которых вращение идет вокруг области пониженного давления в центре. Самый большой из этой группы — внетропический циклон. Он достигает нескольких тысяч километров в поперечнике, высота его колеблется между 2–4 и 15–20 километрами, скорость ветра в нем не превышает 40–70 километров в час Давление в его центре процента на два меньше, чем на периферии. Его средний собрат, ураган, имеет горизонтальные размеры в несколько сот километров, высота его‑ 12–15 километров, скорость ветра в нем достигает уже 400–600 километров в час, давление в центре падает на 10 процентов, ураган имеет характерную полость внутри — «глаз». Меньший брат, смерч, имеет в поперечнике от нескольких метров до 2–3 километров, высоту — от нескольких десятков метров до 1500–2000 метров. А скорость ветра в нем иногда превышает звуковую (1200 километров в час!). Давление в его центре падает на 20 процентов. «Глаз» очень четкий, имеет вид пустого черного цилиндра.

Заметим, что перепады давления в смерче фантастически резкие. Однажды там, где прошел смерч, была найдена курица, ощипанная с одной стороны. Вообще–то много раз бывало, что смерч оставлял после себя ощипанные тушки кур, попавшихся ему на пути: давление в нем гораздо меньше, чем в воздушных пузырьках, находящихся у основания куриных перьев, и воздух этих пузырьков попросту выталкивал перья наружу. Полу–ощипанная курица — свидетельство того, что на расстоянии всего нескольких сантиметров давление менялось от «ощипывающего» до обыкновенного.

Удивительная концентрированность вихря, резкость перепадов скорости образующих его потоков наводят на размышления с философским оттенком. В самом деле, отчего объект может так сильно выделиться из среды, его породившей? Где обычное унылое противодействие внутренного трения (вязкости) и теплопроводности? Они ведь все сглаживают и выравнивают, стремясь уничтожить возникшие неоднородности. Почему, вместо того чтобы терять очертания, расплываться, возникшая неоднородность развивается и «обостряется»? Авторы множества работ рассматривают, как именно «сходит на нет» та или другая неоднородность (вспомним идею «тепловой смерти Вселенной» и т. п.), но очень немногие — возникновение и «самоорганизацию» этих неоднородностей. Оказывается, не только создавать труднее, чем разрушать, но и понять возникновение труднее, чем разрушение.

Как устроен «изнутри» такой вихрь? О чем говорит его странная избирательность — оставлять некоторые предметы нетронутыми посреди разрушений? Козьма Прутков правильно понял: «…Храню, разрушая». Откуда удивительное умение смерчей и ураганов вгонять продолговатые предметы во что угодно: соломинки — в твердые комья глины, палки — в толстые стволы деревьев и т. д. Очень своеобразны эти атмосферные вихри…

Вообще в природе вихри возникают во множестве. Они появляются в той части потоков, где скорость быстро меняется в поперечном к потоку направлении; каждому приходилось видеть вихри в быстрой реке на переходе от быстрины к замедленному течению у берега.

Целая цепочка вихрей может тянуться за движущимся предметом, скажем автомобилем. Их особенно удобно наблюдать на шоссе в метельные дни, когда машина обдувается крепким встречным ветром, а хлопья снега «проявляют» движение прозрачного воздуха. Такие же вихри появляются при обтекании препятствий. Часто вихри дробятся и множатся и, став маленькими, теряют свою скорость из–за действия сил вязкости и исчезают:

писал об этом процессе математик Л. Ф. Ричардсон (1881 — 1953), переиначив строки рапсодии Джонатана Свифта (1667–1745) «О поэзии»:

Но бывает, что вихри сливаются друг с другом. Можно создать одиночные вихри, обладающие поразительной целостностью, устойчивостью, живучестью. Например, вихревые кольца, которые умеют выпускать некоторые курильщики, летят высоко под потолок, тогда как просто дым от папиросы, едва поднявшись, разбивается на струйки, перемешивается с воздухом и расплывается. Американский физик, виртуоз–экспериментатор Р. Вуд показывал своим студентам опыты, при которых большие вихревые кольца пересекали просторную аудиторию и со стуком ударялись об ее стену.

Понять все эти вихри нелегко. Современная математика не может пока описать зарождение одиночного вихря даже в более простой, чем воздух, среде — несжимаемой жидкости. До сих пор не решена задача о возникновении водоворота, который получается при сливе жидкости через отверстие в дне сосуда: слишком сложными оказываются уравнения и слишком мною величин в них «завязано». Наши знания этих вихрей основаны в основном на наблюдениях. Главное в вихре — то, что он вращается. Почему же и в какую сторону вращается водоворот?