Турбулентность атмосферы

По-видимому, каждый, кому приходилось летать на самолете, иногда ощущал одно из неприятных последствий атмосферной турбулентности — «болтанку».

Турбулентность атмосферы проявляется и во многих других, на первый взгляд, не имеющих между собой ничего общего, явлениях. С ней связаны такие эффекты, как прогревание атмосферы солнечными лучами, ее загрязнение различными примесями, мерцание звезд, случаи аномально хороших условий распространения ультракоротких радиоволн, до которым ведутся передачи телевидения.

Что такое турбулентность?

Представьте себе прямую стеклянную трубу, по которой течет вода. Если в начальной части трубы подмешивать к воде частицы какого-либо ярко окрашенного вещества, подобрав его таким, чтобы частицы не всплывали, но и не тонули, то можно будет наблюдать движение и траектории этих частиц. Оказывается, что если скорость течения воды не очень велика, то траектории каждой частицы будут прямолинейными. Если выпускать окрашенные частицы в одном и том же месте поперечного сечения трубы, то они будут двигаться по одной и той же траектории. Такое движение носит название ламинарного. Но если увеличивать скорость движения воды, то начиная с некоторой «критической» скорости (эта скорость тем меньше, чем больше диаметр трубы) движение изменяет свой характер. Траектории движения частиц начинают искривляться; частица движется не только вдоль оси трубы, но и в поперечном

направлении. Однако самое основное отличие такого турбулентного течения от ламинарного заключается в том, что если выпускать окрашенные частицы все время в одном и том же месте трубы, их траектории окажутся различными; причем заранее нельзя предвидеть, какими именно они будут. Траектории движения жидкости в турбулентном потоке становятся «случайными» и частицы могут попадать в любое место трубы. Если же наблюдать за течением в какой-либо фиксированной точке, то окажется, что величина и направление скорости испытывают беспорядочные изменения — флуктуации.

Атмосферу можно сравнить с громадной «трубой», по которой течет воздух. Так как «диаметр» этой трубы очень велик, то практически при всех скоростях ветра, которые наблюдаются в природе, движение воздуха носит турбулентный характер.

К чему же приводит турбулентность атмосферы? Проследим за полетом самолета. Подъемная сила, действующая на его крылья, зависит от скорости набегающего на них потока воздуха. Во время полета он пересекает области пространства, в которых за счет турбулентных флуктуаций скорость ветра различна. Поэтому различной оказывается и подъемная сила, действующая на самолет, в результате чего он и испытывает «болтанку».
Рассмотрим некоторые другие эффекты, связанные с турбулентностью. Положив сахар в стакан с чаем, мы всегда размешиваем его. Для чего?

Если не размешивать чай, то растворение сахара будет происходить чрезвычайно медленно, так же как и распространение сладкого раствора на остальную часть жидкости. Молекулы сахара, попавшие в раствор, сталкиваются с окружающими молекулами воды, и им очень трудно «пробиться» дальше от того места, в котором они были «выпущены». Перемешивая же раствор, мы можем быстро распределить находящийся в стакане сахар более или менее равномерно по всему объему.

Аналогичные процессы происходят и в атмосфере. Здесь перемешивание осуществляется за счет турбулентности, так как траектории движения отдельных небольших масс воздуха носят чрезвычайно запутанный характер и попадают в различные части атмосферы. Описанный способ распространения примесей носит название турбулентной диффузии.

Турбулентность атмосферыТурбулентная диффузия имеет огромное значение для нашей жизни. Не будь ее, атмосфера имела бы совсем иное строение, чем это наблюдается в природе. Тяжелые газы, такие как углекислота и аргон, которых в атмосфере сравнительно немного, концентрировались бы у поверхности земли, так что газовый состав той части атмосферы, в которой мы живем, был бы совсем иным, что существенным образом отразилось бы на нашей жизни. Кроме того, многочисленные примеси, которые загрязняют атмосферу (дым, отходы химической промышленности, радиоактивные примеси и т. д.), также концентрировались бы у поверхности земли. И только за счет непрерывного турбулентного перемешивания атмосферы ее химический состав практически постоянен во всей толще вплоть до высот более ста километров.

Турбулентная диффузия имеет большое значение и для теплового режима атмосферы. Солнечные лучи практически не поглощаются атмосферой и нагревают поверхность земли. Нагретая поверхность отдает часть тепла за счет собственного излучения (излучает, хотя бы и слабо, любое нагретое тело). Но значительная часть теплоотдачи земной поверхности обусловлена турбулентностью.

Массы воздуха, соприкасающиеся с поверхностью земли, нагреваются, а попадая затем на большие высоты, отдают полученное тепло более высоким слоям атмосферы.

Турбулентность обусловливает также и флуктуации (беспорядочные изменения) температуры атмосферы. Нижние ее слои имеют большую температуру, чем высокие. Вследствие турбулентного перемешивания отдельные небольшие массы воздуха попадают с одной высоты на другую и приносят с собой «свое» значение температуры, которое отличается от температуры окружающего воздуха. В результате возникают неоднородности температуры атмосферы. Аналогичным образом возникают и неоднородности влажности.

С неоднородностями температуры и влажности связаны неоднородности показателя преломления воздуха. Показатель преломления характеризует скорость распространения света и радиоволн в веществе и зависит от температуры и влажности воздуха. В турбулентной атмосфере показатель преломления хаотически меняется от точки к точке. Но такое изменение показателя преломления эквивалентно тому, что в атмосфере разбросаны собирающие и рассеивающие линзы. Ведь с оптической точки зрения, линза — это просто часть пространства, в которой показатель преломления отличается от показателя преломления окружающей среды.

Проследим за лучом света, пронизывающим атмосферу. На своем пути он встречает множество «случайных линз», в результате чего происходит или фокусировка, или де фокусировка луча. «Линзы» переносятся ветром, так что луч пронизывает в разные моменты времени различные неоднородности. В результате этого интенсивность света, попадающего в глаз или телескоп, беспорядочно меняется. Это — хорошо известное всем явление мерцания звезд. Особенно сильно мерцают удаленные наземные источники света, так как в этом случае луч проходит вдоль поверхности земли, где турбулентность наиболее интенсивна.

Описанная «оптическая нестабильность» атмосферы сильно мешает астрономическим наблюдениям, так что в последнее время были предприняты попытки проводить эти наблюдения, поднимая телескопы с помощью аэростатов на большие высоты. Оптическая нестабильность атмосферы может являться большой помехой и при использовании лазеров как средств связи.

Турбулентность атмосферы

Таковы в кратких чертах некоторые эффекты, в которых проявляется атмосферная турбулентность. Как видно, многие из этих эффектов весьма неприятны, и с ними надо бороться. Например, при конструировании самолетов или высотных сооружений следует учитывать возможность возникновения вредных колебаний, вызываемых турбулентностью. Нужно уметь устранять помехи, возникающие в линиях связи, использующих лазеры. Для этого необходимо знать довольно тонкие свойства турбулентности атмосферы.

Исследование турбулентности было начато еще в прошлом веке О. Рейнольдсом, а затем было продолжено Дж. Тейлором, А. А. Фридманом и Л. В. Келлером, Л. Прандтлем, Т. Карманом и многими другими учеными. Очень большой вклад в изучение турбулентности был внесен работами советских ученых. В нашей стране работы по теории турбулентности были начаты в двадцатых годах А. А. Фридманом и Л. В. Келлером. Особенно большой сдвиг в этой области науки произошел в 1941 г., когда А. Н. Колмогоров, Л. Д. Ландау и А. М. Обухов объяснили наиболее существенные особенности турбулентности. Эти работы получили широкую известность среди ученых всего мира. Сейчас изучение турбулентности и связанных с нею явлений продолжается во многих научных учреждениях как в нашей стране, так и за границей. Хотя очень многое в этой области уже стало ясным, но законченной теории турбулентности до настоящего времени еще нет и предстоит очень большая работа, чтобы разобраться в этом явлении.

В Институте физики атмосферы Академии наук России в течение нескольких лет проводятся экспериментальные и теоретические исследования турбулентности и ее влияния на распространение света и радиоволн в атмосфере. Большие успехи достигнуты в исследовании турбулентности нижнего слоя атмосферы, где уже хорошо изучена ее связь с метеорологическими условиями. Результаты многолетних исследований турбулентности подытожены в фундаментальной двухтомной монографии «Статистическая гидромеханика», написанной учеными института А. С. Мониныл и А. М. Ягломом.

Добавить комментарий