Пред.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239 240 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255 256 257 258 259 260 261 262 263 264 265 266 267 268 269 270 271 272 273 274 275 276 277 278 279 280 281 282 283 284 285 286 287 288 След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO
§ 4. Грозы
Прежде всего следует сказать, что обычная гроза состоит из множества «ячеек», тесно примыкающих друг к другу, но почти независимых. Поэтому достаточно проанализировать одну из них. Под «ячейкой» мы подразумеваем область (имеющую в горизонтальном направлении ограниченную протяженность), в которой происходят все основные процессы. Обычно имеется несколько ячеек, расположенных одна возле другой, а в каждой из них творится примерно одно и то же, разве что с некоторым сдвигом во времени. На фиг. 9.7 в идеализированном виде представлена ячейка в начальный период грозы. Оказывается, что в воздухе в некотором месте и при некоторых условиях (мы их вскоре опишем) существует восходящий ток, все более убыстряющийся по мере подъема. Теплый и влажный воздух снизу подымается, остывает и конденсирует влагу. На рисунке крестики означают снег, а точки — дождь, но поскольку восходящий ток довольно велик, а капельки очень малы, то на этой стадии ни снег, ни дождь не выпадают. Это начальная стадия, и пока это еще не настоящая гроза, в том смысле, что внизу вообще не видно, чтобы что-нибудь происходило. По мере того как теплый воздух подымается вверх, в ячейку прибывает воздух со всех сторон (весьма важное обстоятельство, которым долго пренебрегали). Так что подымается не только тот воздух, который был внизу, но и какое-то количество другого воздуха — с разных сторон.
Фигура 9.7. Грозовая ячейка в ранней стадии развития.
Фигура 9.8. Температура атмосферы. а — статическая атмосфера; b — адиабатическое охлаждение сухого воздуха; с — адиабатическое охлаждение влажного воздуха; d — влажный воздух с какой-то примесью окружающего воздуха. Отчего
воздух вот так поднимается? Как вы знаете, наверху воздух прохладнее. Солнце
нагревает почву, а водяной пар в верхних слоях атмосферы излучает тепло вверх;
поэтому на больших высотах воздух холодный, а внизу теплый. Вы можете сказать:
«Тогда все очень просто. Теплый воздух легче холодного; поэтому вся эта
комбинация механически неустойчива, и теплый воздух поднимается». Конечно, если
температура на разных высотах разная, то воздух действительно термодинамически неустойчив.
Предоставленный самому себе надолго, весь воздух примет одинаковую температуру.
Но он не предоставлен самому себе; весь день светит солнце. Так что проблема
касается не только термодинамического, но и механического равновесия. Пусть мы
начертили, как на фиг. 9.8, кривую зависимости температуры воздуха от высоты. В
обычных условиях получается убывание по кривой типа а; по мере подъема температура
падает. Как же атмосфера может быть устойчивой? Почему бы теплому воздуху
просто не подняться к холодному? Ответ состоит в том, что если бы воздух начал
подниматься, то давление в нем упало бы, и, рассматривая определенную порцию
поднимающегося воздуха, мы бы увидели, что она адиабатически расширяется. (Тепло
б не уходило бы из нее и не приходило бы, потому что из-за огромных размеров не
хватило бы времени для больших передач тепла.) Итак, порция воздуха при подъеме
охладится. Такой адиабатический процесс привел бы к такой зависимости
температура — высота, как показано кривой Но, с
другой стороны, если мы возьмем воздушную ячейку, содержащую много водяных паров,
то кривая ее адиабатического охлаждения будет совсем другой. При расширении и
охлаждении этой ячейки водяной пар начнет конденсироваться, а при конденсации
выделяется тепло. Поэтому влажный воздух остывает не так сильно, как сухой.
Значит, когда воздух, влажность которого выше средней, начнет подниматься, его
температура будет следовать кривой В
течение многих лет именно так объясняли грозовую ячейку. А затем измерения
показали, что температура облака на различных уровнях над Землей не так высока,
как это следует из кривой После
того как описанная конвекция началась, поперечный разрез грозовой ячейки
выглядит уже так, как показано на фиг. 9.9. Это так называемая «зрелая» гроза.
В ней действует очень сильная тяга вверх, достигающая на этой стадии высот в
10—15 км, а иногда и выше. Грозовой купол с происходящей в нем конденсацией
громоздится надо всей облачной грядой с быстротой, достигающей обычно И когда они станут достаточно тяжелыми, они начнут падать сквозь восходящий воздух, ибо они стали слишком грузными, чтобы тяга могла их нести. Падая, они увлекут за собой немного воздуха. Начинается противоток воздуха — вниз. И легко понять, что, как это ни странно, раз уж противоток начался, то прекратиться он не сможет. Воздух теперь полным ходом помчится вниз! Посмотрите:
кривая
Фигура 9.9. Созревшая грозовая ячейка. Но вы скажете: «Уж не вечное ли это движение? Сперва говорилось, что воздух должен подниматься, а когда вы его подняли, то одинаково убедительно принимаетесь доказывать, что ему положено падать». Нет, это не вечное движение. Когда положение неустойчиво и теплый воздух вынужден подниматься, тогда, естественно, что-то должно его заместить. Не менее верно и то, что спускающийся холодный воздух был бы в состоянии энергетически заместить теплый воздух. Но поймите, что-то, что спустилось вниз,— это уже не тот воздух, который был вначале. Давние рассуждения, в которых шла речь об изолированном облаке, сперва подымавшемся, а затем спускающемся, содержали в себе какую-то загадку. Нужен был дождь, чтобы обеспечить спуск, а этот способ был мало правдоподобен. Но как только вы поняли, что к восходящему потоку воздуха примешан воздух, бывший вначале на той высоте, откуда началась тяга, термодинамические соображения покажут вам, что падение холодного воздуха, первоначально плававшего на больших высотах, тоже возможно. Это и объясняет картину активной грозы, представленную схематически на фиг. 9.9.
Фигура. 9.10. Поздняя фаза грозовой ячейки. Когда воздух доходит донизу, из нижней части тучи начинает идти дождь. Вдобавок, достигнув земной поверхности, относительно холодный воздух растекается во все стороны. Значит, перед самой грозой начинается холодный ветер, предупреждающий нас о предстоящей буре. Во время самой бури наблюдаются резкие и внезапные порывы ветра, облака клубятся и т. д. Но в основном сперва существует ток, текущий вверх, потом противоток вниз — картина, вообще говоря, очень сложная. В то же мгновение, когда начинаются осадки, возникает и противоток. И в тот же самый момент обнаруживаются электрические явления. Но прежде чем описать молнию, мы закончим рассказом о том, что творится в грозовой ячейке через полчаса или, скажем, через час. Она выглядит так, как показано на фиг. 9.10. Тяга вверх прекратилась — больше нет теплого воздуха, и поддерживать ее нечем. Какое-то время еще продолжаются осадки, последние капельки воды падают на землю, все становится спокойнее, хотя часть льдинок еще осталась в воздухе. На больших высотах ветры дуют в разные стороны, поэтому верх грозовой тучи обычно начинает принимать вид наковальни. Ячейке пришел конец.
|
1 |
Оглавление
|