Движущими силами атмосферного ветра являются дальнодействующие силы гравитации и электродинамики. Самые сильные ветры (до 120 м/с) наблюдаются в смерчах, происходящих, в основном, на суше. Самые мощные разрушительные объемные ветры до 100 м/с происходят в ураганах, возникающих над океанами.

Ураганы это приближенно центрально симметричные ветровые системы с радиусом около 400 км. Максимальная скорость вращающегося ветра наблюдается на расстоянии около 40 км от центра, эта область называется ветровой стеной. Она граничит с глазом урагана: в центре урагана светит солнце, ветер ослабевает до нуля, а давление падает до 650 мм рт. ст. и ниже. Смерчи имеют ветровую стену и глаз радиусом менее одного километра.

До сих пор считается, что ураганы возникают только за счёт экстракции тепла из океана в результате роста испарения с усилением ветра. Для смерчей на суше причина их возникновения оставалась неизвестной. Конденсационная теория объясняет ураганы и смерчи конденсацией водяного пара, накопленного заранее в течение длительных периодов времени, независимо от наличия или отсутствия испарения в процессе развития ветровой структуры.

В гравитационном поле Земли давление p влажного воздуха представляет собой потенциальную энергию, аналогичную потенциальной энергии пружины, сжатой электродинамическими силами упругости. Уравнение состояния идеального газа можно записать в виде:

p = ρgh, h º RT/Mg, (R = 8,3 дж/моль∙к, g = 9,8м/с² ) (1)

где ρ - плотность воздуха, h - высота равномерно плотной атмосферы, RT - потенциальная энергия молярной массы газа M в гравитационном поле Земли.

Потенциальная энергия давления (1 Па = 1 Дж/м³) может переходить в кинетическую энергию ветра при нарушении равновесия в гравитационном поле согласно формуле (1). Атмосферное давление составляет примерно 760 мм рт.ст. (p =10⁵ Ра = 10⁵ Дж/м³, ρ » 1 кг/м³). При переходе всей потенциальной энергии давления в кинетическую энергию, p = ρv²/2, возникали бы скорости ветра порядка 500 м/с. Это скорости движения молекул. В атмосфере таких ветров не бывает.

Однако атмосферный воздух содержит конденсирующийся газ - водяной пар. Парциальное давление водяного пара p_v в тропиках достигает 4% от p. Его потенциальная энергия p_v = ρv²/2 соответствует скорости около 80 м/с, наблюдаемой в ветровой стене ураганов. Водяной пар в атмосфере Земли с понижением температуры воздуха способен достигать насыщения, подвергаться конденсации, образовывать облачность и выпадать дождем, снегом или градом.

Ненасыщенный водяной пар находится, как и сухой воздух, в гидростатическом равновесии. При этом плотность воздуха с высотой падает, а возникающий отрицательный градиент давления, создаёт направленную вверх силу, которая уравновешивается весом rg = p/h столба воздуха, расположенного выше точки измерения высоты z, см. (1):

-∂p/∂z , h = 8,9 км (M = 29 г/моль, T =300 K) (2)

где h зависит от z только за счет изменения температуры T(z), которая падает с высотой. Молярная масса воздуха M при любом сколь угодно медленном подъёме становится одинаковой на всех высотах в силу одинаковой скорости подъёма всех сталкивающихся газов воздуха.

Как только относительная влажность достигает 100%, распределение водяного пара сжимается и описывается теперь формулой (2) с заменой h на величину, в пять раз меньшую, поскольку водяной пар конденсируется с падением температуры. В атмосферном воздухе усиливается отрицательный градиент давления, создавая направленную вверх силу, которая уже не уравновешена весом атмосферного столба. Воздух начинает подниматься вверх. Подъём связан с потерей кинетической энергии молекул и поэтому приводит к охлаждению газа. Это усиливает конденсацию водяного пара и направленную вверх силу.

Но атмосферный воздух не может длительно отклоняться от гидростатического равновесия. Поток воздуха вверх заменяется горизонтальным потоком влажного воздуха в область конденсации водяного пара из областей, где конденсация мала или отсутствует. Этот процесс и составляет конденсационную динамику атмосферы.

Как конденсационная динамика приводит к появлению ураганов и смерчей? Если сцепление воздуха с земной поверхностью, перпендикулярное весу атмосферного столба, велико, то воздух не движется относительно земной поверхности, вращаясь вместе с Землёй. При конденсации водяного пара возникающая вверх сила приподнимает воздух, отрывая его от земной поверхности. Воздух на периферии в сотнях километрах от центра конденсации начинает вращаться относительно него, двигаясь горизонтально к этому центру. В силу сохранения углового момента vr скорость вращения v возрастает пропорционально обратному уменьшению расстояния до центра вращения r: v~1/r.

При этом на воздух действуют две основные силы: центробежная сила, пропорциональная v²/r, и центростремительная сила, пропорциональная уменьшающемуся градиенту давления водяного пара (1/ρ)(∂p_v/∂r).

Весь водяной пар полностью расходуется на конденсацию и кинетическую энергию на некотором малом расстоянии r = r₀ от центра, где конденсация и скорость приближения к центру исчезают. В области r < r₀ так называемого глаза урагана нет конденсации, но при r = r₀ скорость вращения глаза должна совпадать с максимальной скоростью вращения ветровой стены. Поэтому энергия и угловой момент глаза возникают за счет уменьшения этих величин в ветровой стене. Передача энергии и углового момента от ветровой стены глазу теоретически возможна только при вращении глаза как твердого тела при отсутствии диссипации.

Что же представляют собой преобразования потенциальной и кинетической энергии ураганов и смерчей? Избытки водяного пара, накопленного у поверхности океана задолго до развития урагана, эквивалентны энергии пружины. В процессе подъёма воздуха и развития урагана потенциальная энергия водяного пара переходит в тангенциальную кинетическую энергию вращения вихря ветровой стены и глаза урагана. Распрямляющаяся пружина водяного пара обрезается при подъёме, переходя из газовой фазы в гравитационную энергию падения капель дождя.

Подъём сопровождается падением температуры и нарушением баланса центробежной и центростремительной сил. Последняя в верхних слоях атмосферы, лишённой водяного пара, пропорциональна уменьшающейся с высотой температуре и становится меньше центробежной силы. В верхней части атмосферы начинается обратное движение воздуха от центра урагана к периферии с переходом кинетической энергии тангенциального вращения в давление сухого воздуха, растущее по мере удаления от центра до значений за пределами урагана.

Избытки водяного пара израсходованы. Ураган должен быстро прекращать существование.

Но наблюдаемые ураганы существуют и усиливаются в течение нескольких суток. Отсюда следует, что ураган не может образовываться и неподвижно существовать в локальной области с радиусом порядка 400 км, как это предполагается до сих пор. Ураган как целое должен двигаться в области с избытком водяного пара, расходуя энергию этого водяного пара и оставляя после себя сухую атмосферу. Передвижение урагана как целого с наблюдаемой средней скоростью 5 м/с в направлении увеличения запаса "потенциальной энергии" водяного пара может продолжить и усилить накопление разрушительной кинетической энергии ветровой стены, глаза и осадков.

Сухой глаз урагана представляет собой автономное вращение сухого воздуха в условиях точного баланса центробежной и центростремительной сил. Сформировавшийся глаз не поглощает энергии и не подвергается диссипации. Глаз может сохраняться после исчезновения урагана (расхода всего водяного пара) и переходить в пустыни, вызывая непродолжительные сухие песчаные бури.

Мощность ветровой стены на единицу земной поверхности в конденсационной динамике линейно пропорциональна максимальной скорости ветра и линейно возрастает с уменьшением ее радиуса r₀. Однако объем ветровой стены пропорционален r₀² h. Поэтому мощность всей ветровой стены падает с уменьшением r₀, несмотря на рост скорости ветра, пропорционально r₀^-1. Именно поэтому смерчи представляют меньшую опасность по сравнению с ураганами.

Смерчи при конденсации заранее накопленного водяного пара в достаточно высоких слоях атмосферы могут образовывать вихри, не доходящие до земной поверхности. Скорости движения вихрей смерчей как целого превосходят 15 м/с. Осадки в смерчах уносятся ветром за пределы вихрей и подвергаются испарению в объемах воздуха. В силу малости радиуса ветровой стены и глаза в смерчах вертикальная скорость подъема становится наибольшей, унося вверх крупные предметы и даже постройки.

Таким образом, ураганы и смерчи высушивают атмосферу, переводя потенциальную энергию водяного пара в кинетическую энергию сильнейших природных ветров и гравитационную энергию выпавших осадков. Рассчитанные из конденсационной динамики общее падение давления воздуха от периферии урагана до ветровой стены и далее до центра глаза, а также скорость ветра в ветровой стене удовлетворительно совпадают с наблюдениями. Традиционные численные модели ураганов не используют конденсационную динамику и подгоняют неизвестные параметры диссипации кинетической энергии для получения согласия максимальных скоростей с наблюдениями.

А.М.Макарьева, В.Г.Горшков, А.В.Нефёдов