Почему же, почему?..

По материалам интернета

? Согласно аэродинамическим представлениям воздушное крыло создаёт подъёмную силу благодаря тому, что воздух обтекает верхнюю его сторону с большей скоростью, чем нижнюю. При полёте кручёного теннисного мяча (если мяч вращается вокруг горизонтальной оси – topspin) вроде происходит то же самое: воздух быстрее проносится над мячом, чем под ним. Тем не менее мяч всегда стремительно летит вниз, а не вверх. Не нарушается ли здесь правило аэродинамики?

Ответ 1. Классическое описание аэродинамики крыла, упомянутое в вопросе, не является полным, что и сказывается в случае кручёного мяча. Вспомним законы Ньютона. По третьему закону, подъёмная сила – это сила реакции, возникающая из-за того, что, грубо говоря, крыло «заставляет» воздушный поток опускаться. Кручёный же теннисный мяч «заставляет» его подниматься, а сам вследствие этого опускается.

Действительно, при полёте кручёного мяча скорость воздушного потока вблизи верхней точки мяча больше, чем вблизи нижней. Поскольку поток не может плавно обогнуть заднюю поверхность мяча, он разделяется, – возникают завихрения. Точки, где происходит это разделение, расположены несимметрично: вблизи вершинки мяча эта точка отстоит дальше от его «экватора», чем та, что вблизи основания. Это порождает асимметричный турбулентный поток, слегка выгнутый вверх. В результате на мяч действует сила реакции, направленная вниз.

Если мяч не закручен, турбулентая струя симметрична относительно его «экватора», и результирующая сила отсутствует. Если он закручен вокруг вертикальной оси (sidespin), то возникает боковая сила, траектория мяча искривляется вбок. При определённых условиях, в зависимости от размера и скорости мяча, могут возникать периодические асимметричные вихри. В результате мяч будет двигаться по спиральной траектории. Это часто случается при игре в бейсбол; такой мяч называется knuckle ball. [Медленный, закрученный вниз, мяч при подаче, так называемая соплюшка. – Ред.]

Ответ 2. Траектория вращающихся объектов отличается от траектории невращающихся из-за возникновения так называемой силы Магнуса. Если объект вращается вокруг горизонтальной оси, то прилегающий к его поверхности тонкий слой воздуха (пограничный слой) в самой верхней точке объекта действительно двигается быстрее, чем в самой нижней. В результате нижний слой «прилипает» к объекту дольше, а верхний слой отрывается от него раньше, что и приводит к появлению силы, направленной вверх, и соответственно, по третьему закону Ньютона, действующей на объект силы реакции, направленной вниз. Английский инженер Барнс Уоллис на основе этого эффекта изобрёл «прыгающую» бомбу, летящую дольше обычной. Более подробно см.: www.rpi.edu/~kanout/magnus_effect/

NewScientist, 2004, Dec. 11,
v. 184, № 2477, p. 77

? Может ли торнадо теоретически неограниченно долго развиваться, пока не поглотит все другие погодные явления и не станет единственной погодной системой на Земле?

Ответ 1. Нет. Для развития и поддержания любого урагана, в том числе и торнадо, требуется тёплая вода, именно она обеспечивает непрерывное поступление энергии и порождает области низкого атмосферного давления. Их «киллеры» – холодная вода и высокое атмосферное давление. И действительно, торнадо зарождаются только в период между маем и ноябрём, когда ещё довольно тепло. Ураганы гасятся и наземными структурами, в особенности горными массивами, которые не дают им сохранять свою форму. В связи со всем сказанным ураган не может существовать бесконечно долго, всегда находятся какие-то факторы, разрушающие их структуру. Наибольшее отмеченное время существования торнадо – две недели.

Ответ 2. Тёплые океанские воды нагревают прилегающие слои воздуха, он становится менее плотным и поднимается вверх, приводя к уменьшению давления и формированию так называемого «глаза урагана». Хотя ураганы весьма разрушительны, они начинают терять энергию и исчезают вовсе, как только достигают побережья, ведь источник энергии теряется. Ураганы принадлежат к семейству тропических циклонов, включая тайфуны. Самым долгоживущим был тайфун «Джон» в Тихом океане – он длился 31 день в августе-сентябре 1994 г. В противоположность этому шторм на Юпитере – Большое Красное Пятно – длится непрерывно уже по крайней мере три столетия. Впервые он наблюдался Робертом Гуком в 1664 г., диаметр его вдвое превышает диаметр Земли. Частично это объясняется тем, что Юпитер – газовая планета, так что там нет твёрдой поверхности, над которой бы и затух этот шторм.

Даже если земной ураган имел бы размер материка, он не мог бы распространиться по всему земному шару. Экватор к тому же разделяет наш шарик на две полусферы, в каждой из которых своя система циркуляции атмосферного воздуха, – так называемые конвективные ячейки.

New Scientist, 2004, Dec. 18,
v. 184, № 2478, p. 77

? Почему циклоны идут с запада, а тайфуны – с востока?

Ответ. Для начала рассмотрим вертикальную стратификацию воздуха на нашей планете. Поскольку атмосфера находится в поле силы тяжести, то естественно, что давление в атмосфере по мере опускания вниз возрастает, равно как и плотность атмосферы. Кроме этого, в нижних слоях атмосферы выше и температура воздуха. Зависимость температуры от высоты в атмосфере связана с процессами адиабатического охлаждения. Если мы возьмём какой-нибудь объём воздуха и начнём его поднимать (в силу тех или иных причин), то за счёт падения давления этот объём воздуха начнёт расширяться. В терминах теплофизики он будет совершать положительную работу. А поскольку воздух при этом не обменивается энергией с окружающей средой, то в соответствии с законом адиабаты он будет охлаждаться. Когда наша атмосфера спокойна, такие подъёмы и опускания отдельных объёмов воздуха уравновешиваются, и наша атмосфера стратифицирована (т.е. разделена на слои по высоте): более тёплая внизу, более холодная вверху; и это равновесие сохраняется с течением времени.

Между тем в воздухе может возникнуть и неравновесная ситуация. Это бывает в том случае, когда по тем или иным причинам организуется дополнительный нагрев атмосферы снизу. Естественно, что самым обычным для нашей планеты в экваториальной зоне механизмом такого нагрева являются отвесные лучи Солнца, которые днём сильно нагревают поверхность океана. Солнечное излучение практически свободно проходит сквозь атмосферу, которая прозрачна, и почти полностью поглощается в поверхностном слое воды (за вычетом энергии отражённого света). Тёплая вода, в свою очередь, нагревает нижний слой атмосферы. Возникает неравновесная ситуация, и над поверхностью океана начинают образовываться восходящие воздушные потоки. Как только какой-либо объём воздуха, довольно сильно нагретый снизу, начинает в такой неравновесной ситуации своё движение вверх, в этом процессе возникает положительная обратная связь. Подъём тёплого воздуха вверх означает освобождение части объёма внизу, соответственно холодный и более плотный воздух может опуститься вниз, заняв его место, и таким образом высвобождается потенциальная энергия за счёт обмена разными объёмами воздуха. Если мы посмотрим на это движение воздуха в вертикальном разрезе, то увидим, что при этом возникает так называемая конвективная ячейка. Вырастать эти конвективные ячейки могут до 10–12 км, а их горизонтальные размеры могут достигать нескольких сотен километров в поперечнике.

В центре такой конвективной ячейки идёт мощный подъём воздушных масс вверх; соответственно в её центре у поверхности океана образуется зона пониженного давления. В эту зону, откуда воздух ушёл вверх, устремляются со всех сторон близлежащие нижние слои воздуха от периферии к центру. Этот тёплый воздух над поверхностью нагретого океана, обильный водяным паром, поднимаясь, адиабатически охлаждается. И как только охлаждение этого объёма воздуха переходит точку росы, содержащийся в нём водяной пар конденсируется из газообразного состояния в жидкое. Происходит образование капелек воды, соответственно развивается мощная облачность; и из этих облаков начинают идти обильные осадки в виде дождя (тропические ливни). Таким образом, развивающаяся за счёт достаточно сильного подогрева воздуха снизу конвективная ячейка, во-первых, в центре своём организует выпадение большого количества осадков, и во-вторых, собирает окрестный воздух в приземном слое со всех сторон с периферии в центр.

Теперь давайте вспомним о том, что всё это происходит на вращающейся планете Земля. Вращение планеты для нашей темы имеет самое существенное значение, поскольку с точки зрения механики вращающаяся Земля является неинерциальной системой отсчёта. В известном смысле она подобна вращающейся карусели. В неинерциальных вращающихся системах отсчёта действует специфическая инерционная сила, которая получила название силы Кориолиса. Действие её состоит в том, что любое тело, которое в такой системе отсчёта движется, будет испытывать отклонение вправо от направления своего вектора скорости (в Северном полушарии). Соответственно любой предмет или любое тело, которое у нас в Северном полушарии движется, за счёт вращения Земли будет отклоняться вправо. Поэтому те воздушные массы, которые движутся с краёв конвективной ячейки вдоль поверхности Земли, точно так же силой Кориолиса будут отклоняться вправо. Соответственно, устремляясь к центру, они не попадут в него, а «промажут» мимо центра, оказавшись чуть правее.

Естественно, что, поскольку в центре конвективной ячейки давление ниже (это область низкого давления), движение воздушных масс продолжится: они опять будут стремиться к центру, но, поскольку он остался от них по левую сторону, они всё время будут поворачивать влево. Таким образом, возникает левозакрученная спиральная структура, которая и называется циклоном (от гр. – круг, движение по кругу, цикл). (Исторически это название стало применяться лишь с ХХ в., когда метеорологами была надёжно установлена спиральная структура циклонов, в том числе на снимках с космических аппаратов. Ранее их называли штормами или бурями.)

Действие силы Кориолиса на движение воздушных масс имеет две особенности. Во-первых, как было отмечено выше, в Северном полушарии циклоны получаются левозакрученными, а в Южном, наоборот, правозакрученными (это зависит от проекции вектора скорости движения на ось вращения Земли). И второе: величина силы Кориолиса зависит от географической широты, на которой происходит движение воздуха, по закону синуса, на экваторе она равна 0, на полюсе – максимальна.

Теперь зададимся вопросом: в какую же сторону света такой циклон будет двигаться по поверхности Земли? На восток или, наоборот, на запад?

Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно обратить своё внимание на так называемую глобальную циркуляцию воздушных масс на планете Земля. Если мы посмотрим (мысленно) на нашу планету в вертикальном разрезе, то заметим, что наша атмосфера подвержена нескольким циркуляционным движениям.

Во-первых, естественно, в тропической зоне атмосфера сильно нагревается отвесными лучами Солнца; и поэтому в тропической зоне планеты происходит подъём воздушных масс. Охлаждение поднимающегося воздуха служит причиной того, что тропическая зона Земли является зоной обильных осадков, как следствие, в районе экватора на всех континентах нашей планеты растут влажные тропические джунгли. Естественно, что если в какой-то одной части земного шара воздух поднимается, то в какой-то другой его части он должен опускаться. Почти очевидно, что такой зоной будут полярные области. Действительно, около полюсов Земли воздушные массы из верхних слоёв атмосферы опускаются – это антициклональная зона, или зона повышенного давления. Наиболее ярко этот антициклон выражен на юге благодаря тому, что Южный полюс нашей планеты занимает большой материк, покрытый ледовым куполом, – Антарктида. Но устройство глобальной циркуляции нашей атмосферы не так просто – она распадается на три циркуляционные ячейки по широте. Подъём воздуха, кроме как в тропической зоне, осуществляется ещё и в зоне средних широт; а его опускание – не только в полярных областях, но и на уровне тропиков. Поскольку воздух, опускающийся из верхних областей атмосферы, уже не содержит водяного пара (он выпал дождём при подъёме), в районах тропиков у нас находятся области пустынь. Таким образом, вся атмосфера нашего земного шара разбита на три глобальные циркуляционные ячейки. Одна из них – от экватора до тропиков, – и вдоль поверхности Земли воздух от тропиков перемещается к экватору. Вторая ячейка расположена от тропиков до средних широт; воздух опускается в районе тропиков, потом вдоль поверхности Земли движется на север к средним широтам и там вновь поднимается. Опять-таки за счёт этого в средних широтах образуется вторая зона осадков и увлажнения. И наконец, третья ячейка – полярная, – это подъём воздуха в средних широтах, опускание его в полярной зоне и движение вдоль поверхности от полюса к средним широтам.

Нужно подчеркнуть, что эти циркуляционные зоны являются поясами, охватывающими всю нашу планету. Таким образом, те воздушные массы, которые движутся вдоль поверхности Земли, например, от тропиков к экватору, будут двигаться первоначально с севера на юг. Но за счёт действия силы Кориолиса они будут постоянно испытывать отклонение вправо, в результате они будут двигаться не просто с севера на юг, а ещё и на запад.

Поэтому в экваториальной зоне земного шара (от тропиков до экватора) господствуют ветра, которые называются пассатами. Они дуют с востока на запад, и в экваториальной зоне происходит перенос воздушных масс в западном направлении. Соответственно те циклоны, которые возникли в тропической зоне, точно так же начинают двигаться с востока на запад. Во второй циркуляционной ячейке, между тропиками и средними широтами, воздушные массы вдоль поверхности Земли первоначально могли бы двигаться с юга на север. Но опять-таки под действием силы Кориолиса они будут отклоняться вправо и начнут двигаться на северо-восток или на восток. Поэтому в средних широтах обоих полушарий у нас господствует западный перенос воздушных масс. И те циклоны, которые возникли в этой средней зоне, движутся с запада на восток, подчиняясь общему движению западных ветров.

Тропические циклоны являются гораздо более мощными по количеству содержащейся в них энергии; они сопровождаются гораздо более сильными ветрами и приносят на побережья материков гораздо более сильные разрушения. Поскольку они приходят с восточного направления, то действию тропических циклонов подвергаются в основном восточные берега материков. В частности, по-китайски, «тайфын» означает сильный ветер. На восточный берег Азии накатываются тропические циклоны, которые родились под действием Солнца на просторах Тихого океана. За счёт развития их спиральной структуры, которая является очень устойчивой, и за счёт перемещения циклонов постоянно на новые территории в направлении на запад высвобождаются всё новые и новые порции потенциальной энергии, запасённые тёплым воздухом океана, и поэтому циклоны, движущиеся по протяжённым траекториям над тропическими океанами, обладают очень мощной разрушительной энергией. В Атлантическом океане также возникают тропические циклоны, которые в этом районе земного шара носят название ураганов. Они также движутся с востока на запад и приходят на восточное побережье американского континента. Как правило, мы узнаём об ураганах, которые обрушиваются на побережья Кубы и Америки (штаты Флорида, Алабама и др.).

В средней части Атлантического океана господствует тёплое течение Гольфстрим. Поэтому в средних широтах именно Гольфстрим является тем источником тепла, который подогревает воздух снизу до сверхнормальных значений температуры и образует в средних широтах неравновесные ситуации в атмосфере. Нагрев воздуха Гольфстримом образует циклоны средних широт, которые, зародившись в Атлантике западными ветрами, выносятся на западное побережье Европы. Сюда они приходят, конечно, не в виде тропических тайфунов с энергией 10¹⁸–10¹⁹ Дж, а в виде хотя и на 1,5–2 порядка менее мощных, но тоже очень серьёзных штормов, со скоростями ветра 30–40 м/с, сопровождаемых большим количеством осадков.

27-й московский
Ломоносовский турнир, 2004 г.
Астрономия и науки о Земле

? Почему так часто обновляются спортивные рекорды в плавании, а рекорды в беге так устойчивы?

Ответ. Достижения в беге почти не зависят от уровня технического оснащения спортсмена, если не считать качества обуви и покрытия беговой дорожки. В основном рекорды в этом виде спорта – результат физической подготовки самого спортсмена, а физические нагрузки человека имеют предел. Напротив, в плавании результат во многом зависит от сопротивления воды, а её как раз можно снизить за счёт, например, полного сбривания волос с тела и головы спортсмена. Другой путь – облачение в цельный костюм из лайкры (материала, имитирующего кожу акулы, которая обладает исключительно низким коэффициентом трения), использование очков специальной конструкции и т.п. Сопротивление воздуха очень мало по сравнению с сопротивлением воды, так что, облачившись в лайкровый костюм, бегун может рассчитывать на выигрыш пары сотых секунды на дистанции 100 м, в то время как пловец может выиграть десятую долю секунды.

Действительно, сейчас уже во многих видах спорта достигнуты предельные для человеческого организма показатели. Дальнейшие рекорды возможны лишь за счёт новейших технологий. Не исключено, что вскоре настанет время, когда победителем будет называться не тот, кто «выше, сильнее, быстрее», а тот, кто обладает наилучшей экипировкой.

Например, в начале ХХ в. прыгуны пользовались бамбуковым шестом, и их достижения росли весьма медленно (с 4 м 2 см в 1912 г.). Но в 50-х гг. шест стал сначала стальным, а затем фиберглассовым, что позволило резко поднять планку до 6 м 14 см – рекорд, установленный Сергеем Бубкой в 1994 г., что в 1,5 раза превышает рекорд 1912 г. Заметим, что рекорд в прыжках высоту за этот же период поднялся всего на 23%, а в прыжках в длину – на 18%. В 1996 г. резко подскочили рекорды в беге на коньках – спортсмены обзавелись так называемыми «быстрыми» коньками, которые позволяли им не отрывать лезвие конька ото льда во время смены ноги благодаря шарниру в носке ботинка.

New Scientist, 2004, Dec.18,
v. 184, № 2478, p. 77

? Можно ли уменьшить парниковый эффект, покрыв крыши всех зданий белой краской?

Ответ. Да, белые крыши будут отражать больше солнечного света. Площадь крыш на Земле составляет примерно 3% от всей её поверхности. Альбедо Земли равно 0,29 (29% падающего света отражается). Альбедо городов равно 0,1, т.е. они поглощают больше солнечного света, чем Земля в среднем. Если его увеличить, покрасив крыши белым, то и общее альбедо возрастёт до 0,30, что может привести (в рамках простейшей модели Земли, рассматриваемой как точка в пространстве) к понижению глобальной температуры на 1 °С, т.е. полностью скомпенсировать парниковый эффект. Указанная модель, однако, не учитывает влияние атмосферы и, что особенно важно, облаков.

Лучше, конечно, не красить крыши, а установить на них фотопанели как альтернативные источники электроэнергии, что позволит сжигать меньше угля и не портить климатическую геосистему.

www.newscientist.com

New Scientist, 2005,
Nov. 26, v. 188, № 2527, p. 91

Н.Д.КОЗЛОВА
(подборка и пер. с англ.)