Лилия Алексеева - Небесные сполохи и земные заботы

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?

Популярную литературу обошло утверждение, что появление водоворота обусловлено вращением Земли. Но тогда он должен вести себя, как циклон, и вращаться в Северном полушарии против часовой стрелки, а в Южном по часовой. Водоворот, который всегда вращался в «циклоническую» сторону, наблюдали сотрудники полярной станции, дрейфовавшей на льдине в Арктике. Весной им приходилось регулярно сверлить дырку в своей льдине, чтобы слить воду, мешавшую садиться самолетам на их ледовый аэродром. Стекаясь в одну точку с большой площади, вода создавала мощный, ревущий водоворот. это зрелище было развлечением всех сотрудников станции. Другое дело на экваторе. Его можно отнести как к Северному, так и к Южному полушарию. Водоворот доложен здесь вращаться одновременно и против, и по часовой стрелке. Единственный способ, каким можно выйти из этого положения, — это не вращаться вообще. Ведь известно, что мощные атмосферные вихри не возникают в узкой полосе широт по обе стороны от экватора! Выходит, по той же самой причине на экваторе не должен возникать водоворот. Однако в умывальниках и ваннах Экваториальной Африки вода закручивается в стоке не хуже, чем на средних широтах. Это говорит о том, что вращение Земли в данном случае ни при чем.

По–видимому, дело здесь в том, что с самого начала вода случайно оказывается чуть–чуть закрученной и что отверстие в дне сосуда не строго симметрично. Когда в опытах использовали очень симметричный сосуд и давали воде в нем как следует отстояться (успокоиться), прежде чем ее начинали спускать, водоворот не появлялся. Заметим, кстати, что циклоны так же несимметричны. Всем известны фотографии циклонов, сделанные сверху — с борта спутника или со специальных укрепленных самолетов метеослужбы. На них видны облачные рукава циклона, которые делают его похожим на спиральную галактику. Не вполне ясно, обладает ли такой структурой антициклон. Его фотографии не так выразительны, как изображения циклонов: осадки в нем редки, поэтому антициклон прозрачен и труднее различим.