Вот они.
Почему вихрь вдруг падает вниз с огромной высоты? Воздух, ставший вдруг тяжелее... воздуха?
Что собой представляет воронка смерча?
Что придает ей стремительное вращение и чудовищную разрушительную силу?
Откуда смерч черпает свою энергию, позволяющую ему существовать по нескольку часов, не ослабевая.
Теория гравитационно-тепловых процессов в смерчах, разработанная в Институте теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ) доктором технических наук Виктором Кушиным, позволяет раскрыть физическую природу этого грозного явления. Она не только снимает все "проклятые" для исследователей вопросы, но приводит к столь неожиданному практическому выводу, что он, вероятно, может стать ключом к решению одной из самых острых проблем сегодняшнего, а тем более завтрашнего дня - энергетической.
300 000 бешено вращающихся тонн
Итак, как уже говорилось, смерч всегда зарождается в грозовом облаке, а затем обрушивается вниз в виде вращающейся воронки. Эта воронка - ее физическая сущность - пожалуй, и есть одна из главных загадок смерча.
Виктор Кушин утверждает: смерч вовсе не "пыльный дьявол", а его воронка-это скрученный дождь. Мощный вращающийся поток дождя и града, свернутый в спираль, "давит" плотным слоем на коническую или цилинд
рическую поверхность, образуя тем самым стенки смерча. Центробежные силы, действующие на стенки, создают во внутренней полости смерча значительное разрежение. Как только в стенках соберется такое количество воды, что несмотря на разрежение внутри воронки, она окажется тяжелее вытесненного воздуха, воронка падает на землю и начинает свой ужасающий путь.
Виктор Кушин создал теоретический портрет смерча средней силы: диаметр воронки - 200 метров, толщина ее стенок - 20 метров, скорость их вращения-100-150 метров в секунду, масса воды в стенках - 300 тысяч тонн.
Естественно, измерения явлений, происходящих в смерче, возможны лишь на расстоянии от него. И они подтверждают, что скорость вращения внешней стенки воронки - 150 метров в секунду.
Между тем косвенные свидетельства (скажем, соломинка, глубоко воткнувшаяся при прохождении смерча в ствол дерева) говорят об околозвуковых и даже сверхзвуковых скоростях внутреннего, невидимого извне вихря.
Виктор Кушин объясняет это тем, что из-за разрежения, созданного вращением стенок, внутрь воронки с околозвуковой скоростью врывается извне поток воздуха.
По расчетам Виктора Кушина, мощность потока в смерче достигает 30 гигаватт, что равно мощности 10 крупнейших электростанций.
За чем охотится смерч!
Но почему он так устойчив? Ведь для длительного его существования требуется колоссальная энергия. Объяснить все первоначальным запасом невозможно. Необходим источник, питающий смерч энергией все время.
Кушин утверждает: "Виновником рождения и жизни смерча, источником его поразительной мощи является фазовый переход "вода - лед", при котором выделяется огромное количество тепловой энергии.
Где и как происходит этот фазовый переход?
Известно, что появлению смерча обязательно предшествует образование мезоциклона - воздушного вихря диаметром 5-10 километров. Возникающий при столкновении холодных и теплых фронтов мезоциклон принимает вертикальное положение и уходит в верхние слои атмосферы на высоту 12-15 километров. Однако при этом нижняя его кромка находится в двух-трех километрах от земли. И если она вторгается в область, где уже созрела грозовая обстановка и скопилось много дождевой воды, то обычно мирный мезоциклон порождает смерч:
нижняя горловина мезоциклона засасывает скопившиеся массы воды, забрасывает их в верхние слои тропосферы, закручивает и сбрасывает вниз в виде вращающегося потока очень холодной воды и тающего града, которые и образуют воронку.
Итак, первый импульс, начало фазового перехода происходит на высоте 10-15 километров.
Если вода в мезоциклоне иссякнет, воронка станет легче воздуха и уйдет в облака. Чтобы этого не произошло, смерч в дальнейшем должен сам добывать воду с земли и доставлять к нижней горловине мезоциклона. И здесь вода начинает проявлять себя в совершенно неожиданной роли - топлива. Поскольку на высоте 2-3 километра температура воздуха всегда ниже нуля, распыленная вихрем вода быстро замерзает и выделяет при этом теплоту фазового перехода "вода - лед".
Это тепло подогревает воздушные потоки, приносимые воронкой, и они остаются всегда теплее окружающего воздуха, что придает им подъемную силу и ускорение. Чем больше воды будет доставлено на высоту 2-3 километра, где находится "кухня" фазового перехода, тем более мощные восходящие потоки возникнут в мезоциклоне, тем мощнее станет воронка смерча.
Иными словами, подобно мифическому Антею, смерч черпает свои силы при контакте с землей (вернее, водой на ее поверхности). Он становится катастрофическим, если проносится по местам, где может всосать в себя воду озер, рек и других водоемов. Поэтому столь причудлив бывает путь смерча, рыскающего в поисках воды - своего топлива.
Справедливости ради отметим: воду он засасывает весьма рационально ровно столько, чтобы вдохнуть в себя новые силы и не потерять вращение при контакте с землей. Этот оптимум - примерно 1 килограмм воды на 1 кубометр воздуха - позволяет поддерживать плотность стенок воронки и создавать мощные восходящие потоки в мезоциклоне. Если воронка встречается с глубоким водоемом и захватывает слишком много воды (например, в море плотность "добычи" может оказаться 10 и более килограммов на кубометр), то такой поток не способен подняться выше 500-1000 метров и оказывается балластом для смерча.
Поэтому смерчи в море слабы. Наоборот, если воды окажется мало (меньше 200-300 граммов на кубический сантиметр), то вихрь сможет поднять ее до высот 5-8 километров. Однако запасов тепла, выделенного фазовым переходом, будет недостаточно для создания "тяги", и смерч погибнет. Поэтому в пустынях и полярных широтах, где в атмосфере влаги мало, эти катастрофические явления не наблюдаются.
Обещает ли теория Кушина решить наконец проблему прогнозирования смерчей - торнадо?
Ясно уже хотя бы одно: чтобы предвидеть возможность смерча, надо знать, где возникает мезоциклон и может ли он встретиться с областью скопления влаги. Оба эти явления в атмосфере весьма быстротечны, и обнаружить их существующими системами наблюдений не удается. Поэтому, по мнению директора Гидрометцентра СССР Александра Васильева, основанное на теории Кушина прогнозирование этих опасных стихийных явлений требует создания новых систем наблюдений и резкого увеличения мощностей вычислительной техники.
Искусственный смерч - даровая энергомашина1
Подведем итог. Смерч напоминает собой газовую горелку высотой 5- 10 километров, только в этой горелке сгорает не газ, мазут или уголь, а обычная вода, причем роль шлака, золы играет образующийся лед. Воронка смерча - "газопровод" этой горелки.
Раскрытие физической природы смерча позволяет задаться вопросом: а не стоим ли мы перед возможностью принципиально новой энергетики?
В природе имеются практически неисчерпаемые запасы тепловой энергии на поверхности земли в виде воды. И столь же безграничен океан холода с температурой минус 40-60 градусов Цельсия в тропосфере, созданный полем тяготения Земли. Природа с помощью смерчей использует эту даровую энергию.
Очевидно, если бы смерч стоял на одном месте, то часть его восходящего воздушного или падающего дождевого потока можно было бы направить на турбину и получать электроэнергию.
Виктор Кушин убежден в возможности создания искусственного смерча как практически даровой энергетической машины. Для этого, говорит он, на поверхности земли надо по касательной к окружности (диаметром 200- 300 метров) расположить специальные воздуховоды. В них будет подаваться воздушно-водная смесь. Затем над этой площадкой на максимальной высоте надо распылить, скажем, 500 тонн нефти и сжечь ее. Возникающий при этом мощный восходящий воздушный поток, закрученный воздуховодами, поднимет смесь на "кухню". Там вода превратится в лед, и за счет выделен
ного при этом тепла создастся тяга, необходимая для поддержания восходящего воздушно-водяного потока.
Образующийся там же наверху поток дождя обрушится вниз и создаст стенки воронки смерча. В основании воронки можно расположить турбину с электрогенератором, которая будет вращаться либо от восходящего воздушного потока, либо от падающего, скрученного дождя. Такой искусственный смерч можно поддерживать и удерживать на месте столько, сколько нужно, питая только по воздуховодам смесью из воды и воздуха в оптимальной концентрации.
В этом случае мощная турбина могла бы производить 2 тысячи мегаватт при расходе воды 60 тонн в секунду.
Что может дать искусственный смерч мировой энергетике?
Сегодня для удовлетворения потребностей человечества в энергии необходимо сжигать около 5 миллиардов тонн условного топлива ежегодно.
