Математики из Тюменского государственного университета создали модель, которая полностью отражает динамику реально существующих атмосферных вихрей. Статья о проведенном исследовании опубликована в «Вестнике Тюменского государственного университета».

Наука давно ищет ответ на вопрос о том, как минимизировать последствия разрушительных явлений природы, в частности огненных вихрей. Поскольку ученые пока не в силах воспроизвести эти явления искусственно, единственным лабораторным способом их изучения выступает математическое численное моделирование. Этот метод помогает не только понимать физические процессы закрученных воздушных потоков, но и создавать рекомендации по их уничтожению с минимальными затратами энергии. Пока, к сожалению, численное моделирование движущейся сплошной среды обычно производится на основе моделей, которые не учитывают, например, ее сжимаемость или вязкость.

Поэтому особый интерес представляет собой способ изучения огненных вихрей, предложенный математиками Тюменского государственного университета. Огненные вихри и торнадо образуются при объединении очагов пожаров в один — воздух нагревается и, закручиваясь, поднимается вверх. Основа нового метода — математическая модель сложных течений воздуха, учитывающая его сжимаемость, вязкость и теплопроводность, а также действие сил тяжести и вращения системы на движение вихря.

«Последние десять лет мы проводим исследования газовой динамики в рамках единой научной школы под руководством профессора Сергея Баутина. Было проведено много численных и экспериментальных исследований, результаты которых легли в основу новой теории торнадоподобных атмосферных вихрей. Она отличается от всех традиционных тем, что поясняет причины возникновения вихрей и предлагает методы их уничтожения. Можно сказать, что мы приблизились к разгадке одной из тайн природы, связанной с существованием целого ряда красивых и грозных атмосферных явлений», — рассказывает один из авторов работы, старший преподаватель кафедры алгебры и математической логики Тюменского государственного университета Дарья Баранникова.

Но написать уравнение недостаточно, нужно еще найти его решения. И два уже найдены, несмотря на сложность модели. Одно из них — стационарное распределение воздуха в атмосфере Земли. Оно задействовалось при численных расчетах в качестве начальных условий. Найденные приближенные решения описывают возникновение динамических течений воздуха в торнадоподобных атмосферных вихрях. Такое моделирование дает возможность рассчитать параметры (температуру, плотность, давление, скорости и энергию) закрученных потоков во всех точках изучаемого пространства, определить причины их возникновения, источники энергии, направление вращения и перемещения.

Согласно полученным данным, направление вращения огненных вихрей и торнадо и обычных смерчей противоположно. В Северном полушарии они вращаются по часовой стрелке, а в Южном — против. Это связано с действием силы инерции Кориолиса на особенности течения воздуха в подобных природных явлениях.

Торнадо в штате Небраска, США, 17 июня 2014

Сила Кориолиса не является «настоящей» силой, задействованной в законах механики. Ее вводят для удобства рассмотрения динамических систем. Возьмем диск и бросим шарик так, чтобы тот покатился к центру, — он будет двигаться по прямой. Но если диск начать вращать и снова бросить шарик в центр, траектория последнего станет кривой. Сила Кориолиса описывает такое изменение траектории, вызванное вращением.

Для Северного полушария действие силы Кориолиса на радиальный поток воздуха, расходящийся от области нагрева, приводит к отклонению всех его частиц вправо от направления движения. В результате все частицы воздуха начинают двигаться по спиралям, закрученным по ходу часовой стрелки.

Формирование траектории движения потока воздуха

Причинами такого поведения теплового вихря ученые называют общие законы природы. Локальный нагрев и локальные перепады температур образуют перепады давления, в результате чего воздух, как сплошная сжимаемая теплопроводная среда, начинает движение. Это сложное и нестационарное течение подчиняется законам термодинамики, на которые накладывается действие силы тяжести и силы Кориолиса. Согласно численным расчетам, тепловой вихрь появляется без принудительной внешней закрутки и перемещается вдоль горизонтальной поверхности, меняя форму и размер. Принципиально важно, что он изменяет их в полном соответствии с природными огненными вихрями.

Источник: ria.ru