Дринфельд Илья Абрамович: другие произведения.

Торнадо: генезис и методы борьбы

Журнал "Самиздат": [Регистрация] [Найти] [Рейтинги] [Обсуждения] [Новинки] [Обзоры] [Помощь]
Peклaмa:
Литературные конкурсы на Litnet. Переходи и читай!
Конкурсы романов на Author.Today

Создай свою аудиокнигу за 3 000 р и заработай на ней
📕 Книги и стихи Surgebook на Android
Peклaмa
 Ваша оценка:
  • Аннотация:
    Работа посвящена обоснованию методов борьбы с торнадо.

   ТОРНАДО: ГЕНЕЗИС И МЕТОДЫ БОРЬБЫ
  
   И.А.ДРИНФЕЛЬД, ктн,снс
  
  
  Среди грозных явлений природы,которые наблюдает человек,наиболее величественным является торнадо,каждый год приносящие разрушения и несчастье людям.
   Интенсивное изучение торнадо проводится главным образом в странах,наиболее подверженных появлению торнадо.
   Специалисты с некоторой вероятностью умеют предвидеть возникновение торнадо.Разработаны рекомендации,обеспечивающие безопасность при нахождении в зоне действия торнадо.Однако,до настоящего времени недостаточно разработаны методы подавления и уничтожения торнадо.
  На наш взгляд,современое состояние фундаментальных наук,технологий и технических средств позволяют успешно решить эту проблему.
   Настоящая работа посвящена обоснованию методов борьбы с торнадо.
  
   1.Феноменологическая модель образования торнадо
  
  Пусть две массы воздуха M1 и М2 двигаются навстречу друг к другу.
   В силу разницы теплоёмкостей происходит передача тепла от массы к другой. Поскольку имеет место передача тепла через перемещение частиц воздуха, мы говорим о передаче зарядов от массы М1 к массе М2,в результате чего возникает ток I12, следствием чего является образование магнитного поля В и нейтральных частиц воздуха .Преобладание отрицательных зарядов в материнском облаке приводит к движению их в направлении поверхности земли и образованию тока I .Ввиду относительно небольшого количества зарядов это не приводит к большой величине силы тока,вызывающей появление молнии.В этом случае следует говорить о тихом течении тока(тихая молния) и образовании кругового магнитного поля. Заряженные частицы воздуха по магнитному коридору опускаются к земле,ускоряясь под действием образовавшегося магнитного поля.Кроме того, на поток воздуха действует электростатическое поле.Под воздейсвием электромагнитного поля поток в вихре получает дополнительную скорость и усиливается его вращение.
   Вследствии уходящего потока отрицательно заряженных частиц в облаке образуется зона разряжения,в которую вовлекается поток воздуха,состоящий из нейтральных частиц.Таким образом,в облаке образуется зона слива.Над местом образования зоны слива на верхней границе облака наблюдается overshooting top.
  
  Таким образом,в совокупности элементы торнадо можно рассматривать как fluid object.В облаке(фиг.1)скрывается воронка,у нижней границы облака воронка заканчивается истоком,далее до соприкосновения землёй труба,которая заканчивается выхлопным отверстием(сопло).
   Под действием центробежной силы воздушная масса смещается к внешней поверхности вихря с образованием в центре вакуумированной сердцевины(глаз торнадо),в которую через сопло всасывается содержимое(грунт) с поверхности земли. Пройдя некоторое расстояние внутри глаза грунт под действием центробежной силы сдвигается к периферии вихря, увеличивая его разрушительное действие.
  Другими словами,Истечение в электромагнитном поле происходит следующим образом.
  Взаимодествие разноименных зарядов приводит к выделению энергии.
  Процесс выделения энергии сопровождается нарастанием давления.
   Состояние среды в некотором объёме Vоб описывается уравнением
  
   pVоб=RT= pDQ/cv=(g-1)DQ, (1)
  
  где p -давление;
   Vоб -объём,в котором возникает давление;
   R -газовая постоянная;
   Tk -температура разогрева среды, по К;
   k -показатель в изэнтропическом законе;
   g-показатель в другом изэнтропическом законе;
   DQ-количество выделяемого тепла;
   cv -теплоёмкость воздуха.
  
  Под воздействим давления происходит процесс истечения из облака воздушной массы заряженных частиц,который описывают двумя изэнтропами(6)
   k k g g
   pnV=pkV; и pkVk=pV, (2)
  
   где pn Vn -параметры электрической детонации на фронте волны;
   pk Vk -параметры электрической детонации на границе истечения.
  
   Скорость истечения в воздушное пространство будет определяться соотношением
   0.5
   U={2p/r(g+1)}  (3)
  
  где p -начальное давление ударной волны на выходе из облака;
   r -плотность воздуха впереди фронта ударной волны.
   В этом случае поток воздуха из облака будет сближаться с поверхностью земли по зависимости
   2 2
   Y=S/M(p-rUi/2g)t/2, (4)
  
   где S -сечение струи;
   M -масса воздуха;
   r -плотность окружающей атмосферы;
   t -время от начала движения;
   Ui -скорость в расчётной точке.
   В определённый момент возможен переход к лавинообразному развитию процесса взаимодействия зарядов.В этом случае можно говорить об электрической детонации.
   Под действием мгновенно нарастающего давления происходит схлопывание воронки слива.
  Возникает фаза кумулятивного эффекта истечения воздушной массы.
   В результате электрических разрядов воздух вырождается в электронный газ.
   В соответствии со статистической физикой,уравнение состояния этого газа
   2 2/3 2 2 5/3
   P=0,2(6p/g) h/4p m (N/V), (5)
  
  где g -статистический вес частиц;
   N-число частиц в одном моле;
   m-масса электрона;
   h -постоянная Планка;
   V -молярный объём вещества при давлении р.
   Образуется кумулятивная воздушная струя,направленная к поверхности земли в соответствии с вектором напряженности электрического поля и контрструя,направленная в противоположную сторону,что объясняет наблюдение overshoot top.
   Таким образом торнадо как процесс состоит из двух фаз:
  слива воздушной массы под давлением,в результате элетромагнитного воздействия, и скоростного кумулятивного слива воздуха в условиях самовозбужденного электромагнитного поля.
   Следует отметить,что наличие второй фазы необъязательно.
  Такое течение процесса зарождения и поведения торнадо хорошо согласуется с системой классификации Fujita.
  
  
   2. ОБОСНОВАНИЕ ПРИНЯТОЙ МОДЕЛИ
  
   2.1.Определение формы вихря.
  
  Определим форму вихря от точки истока из материнского облака до поверхности земли.Здесь следует выделить три момента.
   Во-первых,истечение из облака происходит в атмосферу,плотность которой по приближении к поверхности земли увеличивается.Это же касается величины давления.
   Во-вторых,имеет место влияние кругового магнитного поля,существование которого мы предположили.
   В-третьих,как следует из наблюдений,воздушный поток вращается,что также может влиять на форму и размеры трубы торнадо.
   Рассмотрим влияние изменения давления и плотности атмосферы на форму струи трубы.
   Так как атмосфера представляет собой среду с изменяющимися по высоте параметрами,вертикальная струя по мере приближения к земле должна изменять свою форму в соответствии с изменением состояния нижележащих слоёв.Ввиду непрерывности потока следует полагать парциальный объём V и вес W постоянными.
   Давление в нижележащем слое будет
   Pn-1=pn +Dp ; (6)
   где pn - давление в вышележащем слое;
   D p - приращение давления в зависимости от давления в окружающей атмосфере.
  Тогда площадь сечения нижележащего слоя будет равна
   An-1=W/(pn+ Dp), (7)
  
  т.е. сечение нижележащей части струи вследствии сохранения объёма и веса будет уменьшаться.
   С учётом гидростатического уравнения получим радиус сечения нижележащего слоя равным
  
   r= rgW/p(p + D p), (8)
  
  В соответствии с моделью атмосферы давление будет зависить
  
   dp=p expz-z)/RdT} (9)
  Отсюда
   rn-1=rgT/p{pn +pn-1 exp(-g(z -zo )/RdT)} (10)
  
  
  Таким образом,можно сделать вывод,что струя вихря имеет коническую форму,направленную вершиной к земле,и радиус сечений струи изменяется по зависимости
  
   Rn-1 =rgWf(z,T), (11)
  
   где f(z,T)- функция модели воздуха.
  Ур.(11)позволяет определить значение радиуса на любой высоте от поверхности земли до входа в материнское облако.Вопрос состоит в том,как далеко от нижней кромки облака находятся края воронки слива.Образование overshooting top свидетельствует,что края воронки находятся внутри облака.
  
  2.2.Подтверждение гипотезы слива.
  
   Рассмотрим радиолокационное изображение скорости,полученное допплеровским локатором NSSL при локации торнадо 15 апреля 1994 года в 8.45 и 10.14.На изображении выделим две полосы(фиг.2).
  
  Произведём обработку выделенных полос по зависимости,характеризующей спираль Архимеда.
   r =aj, (12)
  где a - архимедова скорость; ; a=v/w;
   v - скорoсть точки по лучу,исходящему из центра вихря;
   w - угловая скорость вращения.
   Результаты обработки представлены в табл.1 и на диаграмме(фиг.3)
  
  Время 8.45 Время 10.14 Таблица 1
  Numb    a Numb.    a
  point grad mm/k radian mm/s point grad mm/k radian mm/s
   1 131 14/7 0.7277 19.23 1 143.5 23/11 0.7972 28.8
   2 143 22/11 0.7944 27.69 2 152 29/14 0.8444 34.34
   3 163 30/15 0.9055 33.13 3 160 35/17 0.8888 39.37
   4 176 36.18 0.9777 36.82 4 176 45/22 0.9277 48.55
   5 183 42/20 1.0166 41.31 5 139 38/19 0.7722 49.20
   6 187 46/22 1.0388 44.28 6 145 47/23 0.8055 58.34
   7 84 17/8 0.4666 36.43 7 152 57/28 0.8444 67.50
   8 102 26.13 0.5666 46.77 8 158 67/33 0.8777 76.33
   9 114 32/16 0.6333 50.33 9 162 74/36 0.9000 82.72
   10 138 39/19 0.7666 50.87 10 167 81/39 0.9277 87.31
   11 140 46/22 0.7777 59.15 11 169 87/42 0.9388 92.66
   12 153 53/26 0.8500 69.94 12 173 92/45 0.9611 92.72
   13 165 57/28 0.9166 62.19 13 175 96/47 0.9722 98.74
   14 178 95/46 0.9888 59.6 14 178 100/4 0.9888 101.1
  Сравнивая табл.1 и 2 приходим к выводу,что значения архимедовой скорости для равных значений радиуса практически совпадают несмотря на разницу во времени между двумя наблюдениями,т.е. вихревые характеристики не претерпевают существенных изменеиий.Более того,здесь проявляется свойство вихря,заключающееся в сохранении ранее приобретённой скорости вращения,т.е.
   a=v/w при r=const. (13)
   Для подтверждения гипотезы о сливе масс воздуха из материнского облака,были проведены опыты по сливу воды с регистрацией характерных линий вихря,подобных зафиксированным при локации торнадо.Слив проводился в воронку с диаметром верхнего сечения 0.24 м.Было зафиксировано образование вихревого истока с характерными гребнями слива (фиг.4 ).Результаты обработки представлены в табл.2 и на диаграмме(фиг.5).
  
  
   Tаблица 2
  Number    a
  point grad mm rad mm/sr
   1 131 55 0.7277 75.57
   2 135 65 0.7500 86.65
   3 143 78 0.7944 98.18
   4 149 88 0.8277 106.31
   5 157 99 0.8722 113.50
   6 162 109 0.9000 121.11
   7 163 50 0.9055 55.21
   8 169 70 0.9388 74.55
   9 174 88 0.9666 91.03
   10 178 97 0.9888 98.09
   11 180 105 1.0000 105.00
  
  
  Сопоставляя таблицы 1 с табл.2 и соответствующие диаграммы можно сделать вывод,что скоростная локационная картина и скоростная гидравлическая картины идентичны.
   Из этого следует,что предположение о сливе воздушных масс при образовании торнадо справедливо. Вторым важным иыводом явлется полученный результат по так называемой радиально-круговой или Архимедовой скорости, а именно,независимо от масштабных характеристик вихря,значения архимедовой скорости постоянны для одноимённых точек радиуса сливного вихря,т.е.
  
   a=v/w=const при Ri = Rj (14)
  
  И,наконец,поскольку происходит слив масс воздуха в так называемую воронку,то поток воздуха при сливе приобретает вращательное движение.
   Действительно,если объём воронки составляет W,а сечение устья воронки Sf, то при значении объёмной скорости Vf время опустошения воронки составит
   tf=Wf/Sf Vf . (15)
   Пусть за единичное время to поток воздуха совершает один оборот(фиг.6).
  
   Тогда
   tga=Vto/p Df (16)
   и Vc =Vf/tga. (17)
  
  Отсюда tо =p Df tga/Vf. (18)
  
  Если перейти к реальному времени tr =nto,получим
   Vc =pDf n/to n=p Df n/to . (19)
  Но n/to=wo есть начальное количество оборотов вихря.
  Отсюда
   wo=Vc/p Df =Vc/pDf tga. (20)
  
   Начальная скорость у входа в трубу определяется по зависимости
  
   Vo =2gh, (21)
  где h-высота воронки,расстояние от края слива до входа в трубу.
   Установив экспериментально диаметр входа в трубу и скорость оборотов вихря, можно определить объём воронки,а следовательно, её местоположение в материнском облаке,что важно для борьбы с торнадо.
   Определим значение скорости при достижении потоком поверхности земли,воспользовавшись ур.Бернулли.
  Для рассматриваемого случая имеем
  
   pg/(r+hg+Hg)=pg /(r +1/2Vg) , (22)
  откуда
   Vg=2[pi /ri-pg /rg+g(hf +Hf ). (23)
   Простой расчёт показывает,что в условиях безвязкостного воздушного течения с высоты падения 1 км скорость потока достигает величины около 140 м/с,что уже катастрофично.
  
   2.3 Влияние электромагнитного поля на формирование и стабильность торнадo
  
   Как мы предположили, в формировании торнадо существенная роль принадлежит электромагнитному фактору.
   Действительно,при количестве оборотов,с которыми происходит вращение торнадо,гироскопическая устойчивость не может проявиться.При отсутствии электромагнитного поля после истечения из облака вихревой поток торнадо должен был разрушиться не доходя до поверхности земли.
   Рассмотрим влияние электромагнитного поля на течение потока и стабильность торнадо. Между облаком и землёй во время предторнадной ситуации существует электростатическое поле напряжённости E. Пусть в каждом единичном объёме воздуха материнского облака имеется n свободных заряженных частиц.Общий потенциал создаваемый единичным объёмом относительно земли составит
  
   E=n q /Hg. (24)
  
  При достижении критического значения потенциала,но меньшего,чем необходимо для образования молнии,при условии проводимости воздуха,происходит стекание избыточных отрицательных зарядов вместе с частицами воздуха по направлению к земле, и возникает ток I.Поскольку ток находится в потоке воздуха,получившего вращательное движение в результате слива,образуется соленоид,в котором роль проводника выполняет воздушный поток ротора.Вследствие вращения воздуха электрическое поле также вращается.Так образуется соленоид вихря торнадо.
   Электромагнитный вращающийся поток в торнадо играет существенную роль,которая заключается в увеличении скорости вращения,обеспечении устойчивости вихря,увеличении скорости движения воздушного потока.
   Рассмотрим возможности электромагнитного поля по увеличению скорости вращения. При начальном условии ,положим
   u=-wy; v=wx; w=0. (25)
  Уравнения движения будут [2]
   -ydw/dt-w x=-my/r -1/rdp/dx; (26)
   xdw/dt-w y= mx/r -1/rdp/dy,
  где r -радиус вихря-соленоида;
   m - ускорение,создаваемое ЭМ полем ;m=wr =gC/2pr;
   g-компонента магнитного поля.
  Исключая p,получим
   2dw/dt+rd w/drdt=0.. (27)
  Положим dw/dt=Y
  Тогда ур.(27) примет вид
  
   2Y+rdY/dr=0. . (28)
  Разделив наYr,получим
   1/2
   dw/dt=2(ln1/r) ; (29)
  
  Частное решение уравнения будет
   1/3
   w=2t(ln1/r) +wo . (30)
   Как известно, ускорение вращения равно
   m=dw/dt=F C/2pr. (31)
  Тогда величина приращения скорости вращения в течение времени
   составит
   Dw=(BIDLc/2pr) t. (32)
  
   Отсюда следует,что скорость вращения вихря увеличивается под воздействием ЭМ поля.
  Рассмотрим условие устойчивости вихря торнадо. Как известно,создаваемое на участке длины l магнитное поле воздействует с силой
   F =BIDlsinq (33)
  
  или F=m I nDl, (34)
   где B - электромагнитная индукция;
   I - сила тока;l
   Dl -длина участка вихря;
   q - угол между векторами ЭМ индукции и тока;
   n - количество витков соленоида;
   m -магнитная проницаемость.
   Поскольку на объём воздуха в вихре действует центробежная сила
   F=hmw r, (35)
  
   где h - коэффициент внутреннего трения,зависящий от вязкости,
   то условие стабильности вихря запишется в виде
   Fс =Fb , (36)
  откуда
   hmw r =mI n Dl (37)
  
   и значение радиуса для данного сечения будет
   r =hm I n Dl/w m. (38)
  
   Поскольку представляет интерес значение радиуса в единичном сечении принимается n=1.
   Значение массы представим в виде
  
   m=pr Dlr. (39)
  
  Подставляя принятые значения в (33),получим
   r =m I /hrw . (40)
  
  
  Зависимость (40) даёт приближённое значение,т.к.не учитывает радиус глаза вихря. Анализируя ур.(35)можно сделать вывод,что по мере приближения к земле величина радиуса будет уменьшаться,т.к.значение плотности воздуха увеличивается и уменьшается сила тока ввиду затрат электрического заряда на создание магнитного поля и поляризацию нижележащих слоёв атмосферы. Прекращение слива воздуха из облака приводит к исчезновению вихря и удержание его границ прекращается.
   Рассмотрим влияние магнитного поля на скорость потока в вихре. На каждом отрезке жидкостного соленоида магнитное поле действует не только в радиальном,но и в продольном нвправлении,разгоняя воздушную массу в сторону земли.Ускорение, получаемое потоком,можно определить из условия
   Fb =Fz, (41)
  
   где Fz -сила ускорения,воздействующая на поток жидкости по вертикали.
   При тех же допущениях,которые приняты выше,получим
  
   m I Dl=hma, (42)
  где
   a - значение ускорения воздушного потока под влиянием магнитного поля.
   Из ур.(42),получаем
   a =mI /hprr . (43)
  
  Рассмотрим влияние электростатического поля на воздушный поток в вихре. Из источников
  [1,3-4]известно,значение напряжённости во время грозы может достигать 160 kVm,что может привести к существенному увеличению скорости воздушного потока в вихре.
   Из равенства
   Eq =ma, (44)
  
   где E- напряжённость электрического поля;
   q -суммарное количество зарядов,в кулонах;
   m - масса воздуха;
   a - ускорение,приобретаемое вследствие воздействия электростатического полЯ,м/с.
   Oтсюда
   a =Eq /m, (45)
  
  а значение скорости
   V =Eq t/m. (46)
  
   2.4. Характеристики потока вихря на срезе сопла
  
   Суммарная скорость воздуха на срезе сопла вихря у поверхости земли с учётом ур.(23,43,46)будет составлять
  
   Vs=Vg +Vz +Ve =1,4142[pi/ri-pg/rg+g(hf+Hg)]+(mo I /mopr +Eqs /m )t. (47)
  
   Значение(47)есть скорость вертикального потока.Окружная скорость будет равна
   Vp =Vs /tga. (48)
  
  При знании значения V и инструментальном определении окружной скорости(скорости ветра) и диаметра вихря у земли,
  получим количество оборотов вихря
  
   w=2Vp/Dn =2Vs/2Dn tga. (49)
  
   При знании диаметра вихря у основания и значения скорости, возможно определение объёма и массы воздуха,
  вытекающего из сопла в единицу времени
   Wn =pDnVs/4; mn =prDnVs/4. (50)
  При этом давление определяется по зависимости
   pn =pg +rVs/2+Hgr, (51)
  импульс
   Imp =pp rDnVs/4, (52)
  
  энергия
   E=pp r DnVs/8. (53)
  
   2.5. Перемещение торнадо на местности
  
   Причинами перемещения торнадо по поверхности местности являются движение питающего облака,из которого исходит торнадо,и вращение вихря торнадо
   Vtr =Vcl +Vtv ; (54)
   где Vcl - скорость перемещения вследствие вращения вихря
   Vtv - скорость перемещения облака.
   Перемещение облака зависит от скорости и направления ветра на высоте нахождения облака.
   Рассмотрим зависимость скорости перемещения от скорости вращения вихря при условии отсутствия связи с питающим облаком,что в принципе невозможно.
  Допустим,что траектория движения вихря происходит по траектории близкой к обыкновенной циклоиде,т.е. вихрь катится без скольжения. Уравнение движения в араметрической форме
   S=Dne (j-sinj)/2, (55)
  Где j - угол поворота вихря;
   Dne- эффективный диаметр вращения.
  Если скорость вращения составляет n об/с,то параметр будет равен
   j=2pn, (56)
  а скорость передвижения торнадо
   Vtv=ds/dt=pDne n-Dne sin2pn. (57)
  Здесь следует остановиться на введённых терминах.
   Под эффективным диаметром вихря понимается такой диаметр его окружности,все точки которой имеют контакт с поверхностью грунта без скольжения.Это достигается в случае,если плотность воздушного потока будет не меньше определенной величины при условии контакта с поверхностью земли,что определяется вязкостью воздушного потока.Эти две особенности вихревого потока отнесём к его фрикционным свойствам, а дейсвительная скорость перемещения вихря будет являться фрикционной скоростью. Известно,что фрикционная скорость в поверхностном слое определяется по зависимости
   u*=kzdu/dz, (58)
  
   где u-окружная скорость вихря в приземном слое при отсутствии контакта с подстилающей поверхностью;
   z- высота микрорельефа,с которой контактирует поток;
   k - коэффициент Кармана; k=0,4.
   При этом значение коэффициента кинематической вязкости должно быть равно
   n=m/r=kzu*. (59)
  
   Сложность состоит в определении коэффициента динамической вязкости и плотности,т.к. вследствие ваакумирующих свойств вихря происходит смешивание воздуха с грунтом,всасываемым через глаз вихря.Предложенная Эйнштейном зависимость для суспензии
   h=h(1+2.5y), (60)
  где h - динамический коэффициент вязкости основной жидкости;
   y- парциальный объём фракции,
  справедлива для y=0.01-0.02.
   Следовательно,для вихря торнадо с учётом подстилающего грунта должна быть определена зависимость вида
   h=h f(y). (61)
   Для этого целесообразно использовать накопленную базу данных наблюдений торнадо,а именно
   -скорость перемещения материнского облака(скорость ветра на высоте облака) Vcl
   -скорость перемещения вихря-Vtv,
   -скорость вращения вихря w;
   -наблюдаемый диаметр вихря у поверхности земли-Dob.
   В этом случае можно определить: коэффициент трения между вихрем и поверхностью земли-f.
   Vtv=Vtr-Vcl , (62)
   Dne=Vtv/2pw, (63)
   f =Dne/Dob; (64)
  
   кинематический и динамический коэффициенты вязкости
  
   n=m*/r=kzu*. (65)
  При этом, принимая в качестве значения р плотность воздуха,а не смеси получаем завышенное значение динамического коэффициента,что однако не искажет значение скорости.Такой подход позволяет избежать накопления ошибки. В конечном счёте,полученные данные приводят к выяснению зависимости коэффициента трения от характера грунта
   f=F(m) (66)
  и позволяют внести поправку в значение скорости перемещения торнадо
   u*=pD w/f. (67)
  
  Полученные зависимости для определения скорости торнадо позволяют спрогнозировать время и направление движения торнадо,что важно для предупреждения населения и построения системы разрушения торнадо.
  
   3.Методы борьбы с торнадо
  
   Прежде чем перейти к разработке методов борьбы подведём итоги обсуждения,изложенного выше,а именно,что способствует возникновению,развитию,устойчивости и разрушительной силе торнадо.
   Торнадо представляет собой ниспадающее к поверхности земли течение избыточной энергии облачного покрова в виде воздушной массы под действием электромагнитных процессов,проходящих в облаке и поверхностном слое.
   Торнадо характеризутся сформированным электромагнитным полем,воздушным вращающимся потоком,которые перемещаются относительно поверхности земли вследствие перемещения облака и самодвижения вихря при соприкосновении с подстилающей поверхностью.
   Таким образом,чтобы предотвратить или разрушить торнадо необходимо:
   уменьшение электрического потенциала материнского облака;
   уменьшение или рассеивание воздушной массы облака;
   подавление сформировавшегося магнитного поля торнадо;
   прерывание воздушного потока торнадо;
   замедление или остановка перемещения вихря торнадо.
   При разработке методов борьбы должны быть приняты во внимание:
  относительная внезапность появления торнадо;
  быстротечность процесса соединения торнадо с поверхностью земли;
  скорсть передвижения;
  непродолжительность действия.
   невозможность близкого контакта с вихрем торнадо;
   способность вихря к сопротивлению внедрению физических тел.
  При разработке способов борьбы должны быть определены ожидаемые результаты,а именно локализация,подавление или разрушение торнадо.
  Под локализацией будем понимать обеспечение частичной или полной остановки перемещения торнадо на местности.
   Под подавлением следует понимать ослабление основных характеристик торнадо.
  Под разрушением-уничтожение торнадо в процессе его появления или движения.
  Физической основой разрушения вихря торнадо является нарушение непрерывности воздушного потока и нарушение непрерывности электромагнитного поля.
   Рассмотрим принципиальные возможности нарушения воздушного потока.
   Из теории соударения струй известно[5],что при соударении двух струй,обладающих импульсами I1 и I2, образуется одна или несколько струй,которые либо направлены по линии действия большего импульса либо отклонены под некоторым углом относительно линии встречи этих импульсов(фиг.7).
  Таким образом,в результате соударения двух струй,обладающих импульсами I1 и I2 соответственно,когда I2> I1 происходит
   Аннигиляция или уменьшение величины импульса I1
  DI = I2- I1=D cos(I, DI) ; (68)
   Таким образом,если будет выполнено условие
  
   I2>Mn, (69)
  где I2 - импульс струи противодействия;
   Mn - импульс потока вихря,
   торнадо будет остановлен или уничтожен.
   Известно,уравнение непрерывности воздушного потока по оси Z будет
   r(r+de/dz)=ro. (70)
  Если каким-нибудь образом воздействовать на параметр плотности,то условие непрерывности будет нарушено,что может привести к нарушению потока вихря.
  Так в плоской воздушной волне передача тепла(энергии)подчиняется условию
   Q=(g+1)(p1-p)(p-po)/2(g-1)m, (71)
  где p- давление на границе между участками потока;
   g - показатель адиабаты;
   p ,po- значения давлений на смежных участках потока.
  При внесении(удалении) тепла Q или изменении давления p возможно нарушение воздушного потока.
   Разрушение воздушного потока приведёт и к нарушению ЭМ потока,т.к. последний является проводником электрических зарядов. Поток отрицательных зарядов может быть уменьшен,если в него или материнское облако внести положительно заряженные ионы,что также приводит к уменьшению ЭМ поля, снижая вероятность появления и время существования торнадо.
  Таковы основные физические принципы,при осуществлении которых возможно предупреждение,ослабление или уничтожение торнадо. Рассмотрим принципиальные возможности применения современных технологий в подавлении и уничтожении торнадо. Ввиду значительных энергетических характеристик ,которыми обладает поток воздуха в вихре,нам представляется возможным воздействие на него ударными волнами.
  Как известно,ударные волны характеризуются значительными импульсами и скоростью распространения.Рассмотрим достаточно малый слой вихря толщины,диаметра d с массой m,в котoром давление p; и текущая скорость которого V,подвергающийся воздействию ударной волны в точке,отстоящей от слоя на расстоянии x .
   Количество движения для этого слоя будет
   DMd=DmV. (72)
  Время прохождения потоком этого слоя при условии фиксации его положения составит
   t=d/V. (73)
  За это время на этот слой должна воздействовать ударная волна со средним значением за её фронтом равным Py.
  Тогда Pyd/V=DMV, (74)
   2 2
  отсюда Py=4DMV/pdD. (75)
  Пусть в точке возникновения УВ амплитуда давления равна Pm ,и изменение давления от расстояния подчиняется зависимости Py =Pm exp(-ax). (76)
  Тогда расстояние от центра возникновения УВ до рассматриваемого фиксированного слоя должно быть
   -1 2
   X=a lnDMV/pDвPm. (77)
  Для надёжности поражения этого слоя значение давления УВ,достигшей слоя должно быть принято с запасом n Py>nPm (78)
   При этом УВ поражает всё пространство вдоль оси Z от точки возникновения до плоскости  рассматриваемого слоя с координатой Zi ,а также,если УВ есть часть сферической волны,то и до зеркально расположенного сечения
  вихря с координатой Z=-Zi.
   Если инициирование УВ происходит у поверхности земли,то часть энергии поглощается грунтом.В этом случае целесообразно создание направленной УВ.
   Таким образом мы пришли к рассмотрению точек нанесения ударов по торнадо.
   Из вышесказанного следует,что при нанесении ударов по средним частям вихря возможна остановка его перемещения,подавление или уничтожение.Воздействие на точку соприкосновения с землёй способствует приостановке движения.Воздействие на воронку слива в облаке должно привести к ликвидации вихря,т.е. куничтожению торнадо.При этом нанесение ударов по облаку целесообразно совмещать с доставкой положительно заряженных ионообразующих инградиентов
  Наибольшиим импульсом и энергией,обеспечивающей расчётное значение УВ и быстродействие ,обладают взрывчатые вещества.Неоходима разработка технических требований к этим ВВ и средствам их доставки.В частности,необходимо отметить,ВВ и средства их доставки(снаряды,ракеты,мины)должны обладать:
   высоким фугасным действием и низкой осколочностью;
   обеспечивать автоматически дистанционный подрыв при встрече с вихрем;
   быть управляемыми при ветровых нагрузках до 200 м/с;
   обладать помехозащищённостью при действии электромагнитного поля;
   обеспечивать самоликвидацию при промахе по вихрю;
   не оказывать загрязняющее действие на окружающую среду;
   средства доставки должны быть совместимы с существующими средствами запуска-артиллерийскими орудиями,миномётами и пусковыми установками.
   Поясним некоторые из предъявленных требований.
   Требования низкой осколочности,дистанционность подрыва,самоликвидация должны обеспечивать безопасность окружающей среды.Известные артиллерийские системы позволяют ведение прицельной стрельбы при скорости ветра до 15-20 м/c,максимальная скорость ветра,зафиксированная при торнадо около 500 км/ч(138м/с).Некоторые снаряды,нерассчитанные на одновременное действие критических значений ветровой нагрузки и электромагнитного поля,имеют вероятность самопроизвольного срабатывания в полёте. Общая схема системы поражения торнадо средствами артиллерии представлена на схеме(фиг.8).
  
   Поражение артиллерийскими средствами требует решения таких технических и организационных вопросов:
   определение возможных направлений возникновения торнадо;
   определение территорий,участков местности для локализации и подавления торнадо;
   определение местоположения метеорологических наблюдательных пунктов(НМП) и командно-корректирующих пункт(ККП);;
   определение огневых позиций(ОП) артиллерийских и пусковых установок;
   организация взаимодействия между НМП,ККП и ОП,а также с региональными службами прогноза и региональными властями;
  разработка правил стрельбы в условиях особых ветровых нагрузок и ЭМ полей;
   разработка теории и правил стрельбы при отражении торнадо.
   Рассмотрим возможность применения инженерных средств для поражения торнадо.
   Кумулятивные и полукумулятивные заряды,установленные вертикально,способны создавать необходимые импульсы давления на несколько десятков метров вверх,разрушая структуру вихря торнадо.
   Такой же возможностью обладают ударные трубы,в качестве которых могут быть использованы,отслужившие свой срок по баллистическим характеристикам,артиллерийские орудия.
   Преимущество этих противоторнадных средств заключено в осуществлении возможности их автоматического срабатывания при контакте с вихрем,и их заблаговременной установке на территориях,прилегающих к населённым пунктам,т.к. распространение ударных волн происходит вертикально вверх без образования при этом осколочного поля.
   Как было рассмотрено выше,накачка тепла в поток вихря приводит к изменению давления и плотности.
  Ударные лазерные установки(УЛУ)обладают достаточным импульсом для изменения характеристик потока.При достаточной плотности энергии они способны воздействовать на молекулы газов воздуха,изменяя его структуру,и тем самым влияя на ЭМ поля вихря в заданном направлениии.Применение УЛУ в борьбе с торнадо составляет близкую перспективу
  
  Заключение
  
  В настоящей работе предложена новая модель генерации торнадо.Вихрь торнадо рассматривается как сложный процесс взаимодействия воздушной массы облака и его электрического поля с поверхностью земли.Показан механизм перемещения облака относительно земли.Проведено обоснование методов борьбы с торнадо.Определены средства для борьбы с торнадо и намечен комплекс мероприятий,необходимый для реализации разработанных предложений.
   Здесь произведена постановка задачи.Автор не стремился рассмотреть все вопросы,касающиеся предлагаемого метода борьбы с торнадо.Так,например,важным вопросом является предвидение того,что может произойти в результате подавления торнадо,если материнское облако продолжает существовать,т.е. возможно ли появление других торнадо,как должны быть оснащены метеорологические подразделения для повышения надёжности прогнозирования появления торнадо, и ряд других важных научно-технических и организационных вопросов.Пути их решения очевидны. Из работы следует,что современное состояние техники и технологий позволяют вести борьбу с торнадо.
  
  Литература
  1.Marshall,T.C.,W.D.Rust and Stolzenburg G.M.Electrical structure and updraft speeds in thunderstorms over the southrn Great Plains.J.of Geophysical Reserch, 100,1995
  2.Lamb Horace.Hydrodynamics.CambridgeUniversity Press,1993.
  3.Stolzenburg G.M.,T.C.Marshall,W.D.,Rust and B.F.Smull.Horizontal distribution of electrical and meteoroligal conditions across the stratiform region of mesoscale convective sistem.Monthly WeatherReview, 122,1995.
  4.Marshall.T.C.,M.P.McCarthy and W.D.Rust.Elektric field magnitudes and ligthing initiation in thunderstorms.J.Geophisical Research,100,1995.
  5.Batchelor G.K.An Introduction to Fluid Dynamics.Cambrige University Press,1981.
  6.Л.Д.Ландау и К.П.Станюкович.ДАН 47 Љ3,4,1945.
  7.D.R.MacGorman and W.D.Rust.The Electrical Nature of Storms.Oxford University Press,1998.
  
  Июнь 2002г.
  Опубл. Lib.ru 19 апреля 2010 г.
 Ваша оценка:

Популярное на LitNet.com Т.Мух "Падальщик 2. Сотрясая Основы"(Боевая фантастика) А.Куст "Поварёшка"(Боевик) А.Завгородняя "Невеста Напрокат"(Любовное фэнтези) А.Гришин "Вторая дорога. Путь офицера."(Боевое фэнтези) А.Гришин "Вторая дорога. Решение офицера."(Боевое фэнтези) А.Ефремов "История Бессмертного-4. Конец эпохи"(ЛитРПГ) В.Лесневская "Жена Командира. Непокорная"(Постапокалипсис) А.Вильде "Джеральдина"(Киберпанк) К.Федоров "Имперское наследство. Вольный стрелок"(Боевая фантастика) А.Найт "Наперегонки со смертью"(Боевик)
Связаться с программистом сайта.

Новые книги авторов СИ, вышедшие из печати:
Э.Бланк "Колечко для наследницы", Т.Пикулина, С.Пикулина "Семь миров.Импульс", С.Лысак "Наследник Барбароссы"

Как попасть в этoт список
Сайт - "Художники" .. || .. Доска об'явлений "Книги"