Опасные метеорологические явления и

скрытая теплота конденсации, как основной источник их энергетики.

Цикл работ опубликованных в 2008-2010 годах.

Такие метеорологические явления как смерчи, тропические циклоны и полярные ураганы считаются наиболее опасными атмосферными явлениями. Однако на сегодняшний день не построено удовлетворительных теоретических моделей, объясняющих формирование этих вихревых образований. Хотя существуют модели, описывающие, например, передвижение тропических циклонов, однако они не всегда правильно его предсказывают, примером является ураган «Катрина» (август 2005 года). В настоящее время считается общепринятым, что энергетика этих явлений обусловлена выделением скрытой теплоты фазовых преобразований атмосферной влаги. В частности, полярные ураганы часто возникают из облачности, которая образуется при вторжении холодного воздуха с суши на открытый океан. Тропические циклоны также формируются в областях с повышенной влажностью, которые в свою очередь возникают за счёт перепадов температуры. Смерчи возникают из очень плотных вращающихся облаков с повышенной влажностью, обычно на границе материнского облака, где к силе Кориолиса вращения облака добавляется сдвиг скорости при трении облака об окружающий неподвижный воздух.

Данный цикл работ объединяет статьи, опубликованные в 2008-2010 годах по образованию мощных облаков за счёт испарения с тёплого океана, и вопросам формирования смерчей.

2008

В работе [1] рассмотрена задача о росте мощной облачности над поверхностью океана. Наличие сконденсированной влаги внутри облака существенно изменяет термодинамику системы, и, как результат, вертикальные профили всех термодинамических параметров задачи. Нагрев внутренней части облака в процессе его роста происходит за счет выделения скрытой теплоты конденсации пара. В предположении наличия постоянного источника пара в виде испарения с подстилающей поверхности в работе формулируются временные характеристики процесса формирования облака.

В работе [2] описывается атмосферная неустойчивость типа тонкого (веревочного) смерча, отличная от конвективной неустойчивости. Неустойчивость проявляется в атмосфере Земли при выполнении определенных условий, в частности, при наличии вращения и сил вязкости. Неустойчивость имеет колебательный характер. Это означает, что рост возмущения на линейном этапе ее развития сопровождается колебаниями с частотой, сравнимой с инкрементом неустойчивости. Эта неустойчивость может иметь отношение к формированию таких устойчивых образований в атмосфере, как торнадо и тайфун.

В работе [3] построена аналитическая модель конвекции в горизонтальном слое толщины облака со свободными верхней и нижней границами. Облачный слой считается подверженным силе Кориолиса за счёт вращения облака, что обычно имеет место при формировании торнадо. Получено, что конвекция в такой системе может выглядеть как одна вращающаяся ячейка в отличие от обычной многоклеточной структуры конвекции Бенара. Нижняя граница слоя может существенно выйти из первоначально горизонтального положения облачного слоя, образуя единый вертикальный вихрь с интенсивными потоками вверх и вниз.

В работе [4] построена аксиально-симметричная стационарная модель тропического циклона с учётом сильных вертикальных потоков воздуха в центральной области. Модель строится на основе теории конвекции в вертикальных каналах. Основным энергетическим источником циклона считается выделение скрытой теплоты конденсации водяного пара при движении воздуха вверх. Считается, что энергия выделяется в области с насыщенным паром и диссипирует в области сухого воздуха. Неустойчивость возникает за счет разности адиабатических градиентов температур в сухом и влажном воздухе. Наличие сильного энергетического источника, очевидно, приведёт к подъёму воздуха на оси структуры, и движения будут затухать по мере удаления от оси. Получено, что радиальное распределение течения воздуха зависит от величины вертикального градиента температуры в окружающем пространстве. При достаточно сильной устойчивой стратификации, скорость подъёма воздуха в центральной части максимальна вблизи оси структуры. А при слабой стратификации почти нейтрально стратифицированный воздух легко увлекается вверх сильным вертикальным движением прогретого воздуха, и появляется нисходящий поток – “глаз” тропического циклона.

2009

В работе [5] определяются стационарные решения нелинейной конвекции в аксиально-цилиндрическом вертикальном канале с учетом сжимаемости воздуха. Нелинейность считается обусловленной различием вертикальной стратификации в поднимающемся и опускающемся течениях. Считается, что стратификация неустойчива для восходящего течения, и устойчива для нисходящего течения. Такого рода ситуация характерна для смерчей и тропических циклонов, неустойчивость в которых обусловлена выделением скрытой теплотой фазовых переходов атмосферной влаги в восходящих потоках воздуха. Этим восходящим потокам неизбежно сопутствуют нисходящие потоки воздуха, которые осушаются и стратификация в них становится отличной от восходящего потока воздуха. Поставленная задача сводится к обыкновенному нелинейному дифференциальному уравнению шестого порядка с краевыми условиями на обеих границах. В результате получено, что сжимаемость воздуха оказывается одним из основных факторов, обусловливающих вращение воздуха в аксиальном вихре.

В работе [6] рассматривается установившееся осесимметричное течение тяжелой вязкой несжимаемой жидкости под действием азимутальной касательной нагрузки на поверхности разрыва ее плотности. Считается, что вихревые токи развиваются в начальной стадии смерча. В таких условиях дальнейшую (промежуточную) стадию смерча можно рассматривать как течение, вызванное насильственным воздействием на поверхность разрыва плотности азимутальных касательных напряжений с учетом соответствующей деформации поверхности разрыва в пространстве. При этом воздействие на течение конвективных токов и их основную причину - подъемную силу Архимеда - нужно учитывать и в промежуточной стадии развития торнадо. Течение в смерче считается осесимметричным и установившемся. Температура поверхности разрыва плотности считается заданной.

В работе [7] описывается неустойчивость в атмосфере, которая может быть ответственна за образование интенсивных вихрей типа смерча. Эта неустойчивость появляется в жидкости при наличии силы Кориолиса и диссипации и имеет колебательный характер. В работе проведен аналитический анализ линеаризованной задачи и численный анализ нелинейной задачи развитой стадии движения воздуха.

В работе [8] строится модель конвекции в облачном слое и исследуется вопрос, может ли в этих условиях конвективное течение быть локализованным. В результате получено, что если слой имеет подвижные границы, конвекция может иметь место в какой-то области и исчезать на больших расстояниях. Область, в которой происходит конвекция, должна иметь достаточно сильный вертикальный градиент температуры. Если такая область образуется, локализованное течение развивается и может достигать стационарного состояния.

В работе [9] строится модель 3-компонентной газовой смеси, содержащей сухой воздух, водяной пар и капли воды. Эта модель может применяться для внутренней области облака. Используется понятие плавучести для исследования динамики образования облаков, с учетом конденсации водяных паров в облаке. Полученные результаты соответствуют характерным временам, необходимым для развития слоя облаков над поверхностью моря.

2010

В работе [10] методом разложения по функциям Бесселя описываются стационарные решения нелинейной конвекции в вертикальном канале заданного радиуса с учетом сжимаемости. Нелинейность считается обусловленной зависимостью стратификации от вертикальной скорости течения воздуха. Такая ситуация характерна для смерчей и тропических циклонов, в которых стратификация обусловлена выделением скрытой теплоты фазовых переходов атмосферной влаги в восходящих потоках воздуха. В результате получено, что сжимаемость воздуха и нелинейность, обусловленная зависимостью стратификации от вертикальной скорости, оказываются основными факторами, обусловливающими решения типа смерча.

В работе [11] рассматривается вертикально-однородная модель вихря типа торнадо. Строится решение гидродинамических уравнений с учётом нелинейного слагаемого, связанного с влажностью атмосферы, путем введения переменного градиента температуры в виде его зависимости от вертикальной скорости воздуха. Такое слагаемое может давать энергию в систему и очень подходит для подобной задачи. В приближении "слабого" торнадо другими нелинейными слагаемыми можно пренебречь. Задача ставится как краевая в радиальном направлении и решается методом пристрелки. Полученные результаты показывают возможность существования неустойчивого движения даже в конвективно-устойчиво стратифицированной атмосфере.

2008

1. Голицын Г.С., Руткевич Б.П., Руткевич П.Б. Аналитическая модель верхней границы облачности // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса: Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов. Сборник научных статей. - М.: ООО "Азбука-2000", 2008. Выпуск 5. Т. I. С.451-456.

2. Руткевич П.Б., Руткевич П.П. Гидродинамическая неустойчивость, обусловленная вращением и вязкостью // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса: Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов. Сборник научных статей. - М.: ООО "Азбука-2000", 2008. С.515-520.

3. Заволженский М.В.,  Руткевич П.Б. Формирование хобота смерча из материнского облака. // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса: Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов. Сборник научных статей. - М.: ООО "Азбука-2000", 2008. Выпуск 5. Т. I. С.472-477.

4. Архипкин О.О., Руткевич Б.П., Руткевич П.Б. Стационарная модель тропического циклона в безграничном океане // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса: Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов. Сборник научных статей. - М.: ООО "Азбука-2000", 2008. Выпуск 5. Т. I. С.405-409.

2009

5. Руткевич П.Б., Руткевич П.П. Нелинейная конвекция в аксиальном вертикальном канале // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса (Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов). Сборник научных статей. М: ООО "Азбука-2000", 2009. С.188-192.

6. Заволженский М.В., Руткевич П.Б. Промежуточная стадия смерча // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса (Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов). Сборник научных статей. М: ООО "Азбука-2000", 2009. С.118-125.

7. Rutkevich P.B., Rutkevich P.P. Model of Oscillatory Instability in Vertically-homogeneous Atmosphere // Adv. Geosci. (ADGEO), 2009, 15. P.57-63.

8. Zavolgensky M.V., Rutkevich P.B. Tornado Funnel-shaped Cloud as Convection in a Cloudy Layer // Adv. Sci. Res., 2009, 3, 17–21.

9. Rutkevich P.B., Rutkevich B.P., Golitsyn G.S. // Time development of the upper cloud edge in one-dimensional approximation based on moist thermodynamics. Adv. Geosci., 2009. 15. P.65-69.

2010

10. Руткевич П.Б., Руткевич П.П. Нелинейное вихревое течение в вертикальном канале, обусловленное асимметрией вертикального переноса влажности // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса: Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов. Сборник научных статей. - М: ООО "ДоМира", 2010. Т.7. № 1. С.149-156.

11. Rutkevich P.B., Rutkevich P.P. Tornado-type Stationary Vortex with Nonlinear Term due to Moisture Transport // Adv. Sci. Res., 2010. Vol.4. С.77-82.