2.38. Водяные смерчи и облачные рукава
Что вызывает смерчи на воде, эти огромные водяные воронки? Почему иногда лодкам удается спастись при встрече с водяным смерчем?
Хотя часто лодки справляются со слабыми водяными вихрями, более сильные вихри могут значительно повредить и даже перевернуть лодку среднего размера.
Нижний конец водяного смерча окружен своеобразным футляром — вращающимся облаком из водяной пыли. Нижнюю треть воронки видно благодаря поднявшейся по ней воде, а верхнюю часть можно увидеть, если образовались капли, рассеивающие солнечный свет.
2.39. Пыльные вихри, вихри в тумане, туманные вихри
Пыльные вихри — частое явление в жарких странах, но, случается, они образуются и на холодной поверхности Марса. Такие вихри видны благодаря пыли, грязи и всякому мусору, подхваченному ими с земли и поднятому вверх. Часто пыльные вихри маленькие и безобидные, но иногда они очень высокие, до километра высотой, и достаточно мощные, способны поднять с земли небольшое животное или даже ребенка. Высота марсианских пыльных вихрей может достигать 6 км.
Вихри в тумане — небольшие завихрения в тумане, а туманными вихрями называют вихри, образующиеся над водой в холодные дни. И те и другие живут недолго и безопасны.
Что является причиной образования всех этих вихрей?
ОТВЕТ • Подобные вихри образуются благодаря неустойчивости, возникающей, если более холодный воздух располагается поверх более теплого. Например, пыльный вихрь может появиться, если яркий солнечный свет сильно разогреет землю, которая, в свою очередь, разогревает тонкий слой воздуха вблизи поверхности. Горячий воздух малой плотности должен подниматься от поверхности земли вверх, но, если в данном месте совсем безветренно или ветер очень слаб, холодный воздух, как одеялом, накрывает слой теплого воздуха. Такое расположение слоев воздуха нестабильно, и даже выскочивший из кустов кролик может инициировать стремительный выброс горячего воздуха вверх. Массы горячего воздуха устремляются по земле к месту прорыва «холодного одеяла», закручиваются вблизи него и формируют поднимающийся вверх столб горячего воздуха. Это и есть пылевой вихрь (рис. 2.12). Вихрь может закручиваться либо по часовой стрелке, либо против в зависимости от потока воздуха над землей и встречающихся на его пути препятствий. Опускаясь, окружающий вихрь холодный воздух вытесняет вверх горячий воздух, который уносится вместе с пыльным вихрем.
Рис. 2.12 / Задача 2.39. Закручивающийся вверх поток горячего воздуха, двигающийся вдоль нагретой земли. Холодный воздух опускается.
Пыльный вихрь может переместиться с земли на воду, но, пока он не захватит достаточное количество воды, разглядеть его будет трудно. Единственным свидетельством, указывающим на существование такого вихря, будут круги, которые он оставляет на воде.
В тумане вихри образуются, если туман поднимается над местом, покрытым мокрой, ярко освещенной травой. Трава нагревает воздух непосредственно над собой, и он поднимается вверх наподобие горячего воздуха в пыльном вихре. Однако влага в воздухе конденсируется с образованием капель. Это процесс, сопровождающийся выделением большого количества тепла, благодаря чему нагретый воздух поднимается еще быстрее.
Туманный вихрь может появиться над водой, когда температура воздуха ниже температуры замерзания, а температура воды выше этого значения. Тогда воздух непосредственно около воды теплее, чем воздух в вышине, а такое состояние неустойчиво.
Когда за окном очень холодно, вы можете сами создать миниатюрный туманный вихрь. Для этого поместите в комнате под окном широкий контейнер и наполните его очень горячей водой. Затем откройте окно, так, чтобы холодный плотный воздух, прошедший через окно, оказался над водой. Горячий воздух и водяной пар, поднимающиеся над водой, устремляются вверх со все увеличивающейся скоростью, поскольку холодный воздух плотнее и конденсация водяного пара идет с выделением тепла. Надо еще принять во внимание горизонтальную силу, обусловленную потоком холодного воздуха через окно. В условиях небольшой турбулентности сложное движение вверх и по горизонтали способно привести к образованию короткоживущих вихрей. Увидеть их можно будет благодаря конденсации водяных капель.
2.40. Круговые вихри
Как курильщикам удается пускать дым кольцами? Почему, приближаясь к стене, такие кольца увеличиваются в размерах? Как дельфинам удается создавать похожие кольца из воздуха в воде?
ОТВЕТ • Кольца дыма — круговые вихри, вырывающиеся из наполненного дымом рта при сильном выдохе. Когда курильщик выпускает дым и воздух через округленные губы, вблизи губ поток тормозится из-за трения и, следовательно, отстает от потока в центре отверстия. Это приводит к тому, что вокруг губ поток выгибается наружу, и возникает вихревое движение. Дым просто играет роль маркера, позволяя увидеть движение воздуха.
Когда кольцо дыма приближается к стене, трение потока воздуха о стену приводит к расширению кольца. Скорость вращения воздуха уменьшается, как уменьшается скорость фигуриста, когда он вращается на носке конька и расставляет руки.
