lion_rat (lion_rat) wrote,
lion_rat
lion_rat

Category:

О тропических циклонах

Сентябрь выдался скудным на свободное время для занятия любимым делом, в связи с тем, что коллеги по работе гуляют последние в этом году отпуска. Но свободное время зря не пропадало. С подачи уважаемого velikotvorwik были предприняты поиски по теории тропических циклонов, причём особенный интерес вызывало именно взаимодействие разных естественных оболочек Земли, а не одной только атмосферы с гидросферой. Результатом стала интересная находка.

Сначала, об исходной статье "О роли электромагнитных взаимодействий в динамике мощных атмосферных вихрей". Начинают авторы достаточно обычно для статьи о тропических циклонах - что это явление уже давно является предметом серьёзных исследований, составлены математичекие модели и написаны компьютерные программы, но всё же "проблема еще далека от своего окончательного разрешения". Причина в том, что известны далеко не все факторы формирования, развития и гибели тропических циклонов, которые пока в основном рассматриваются только с позиций наук, изучающих движение тепла, морской воды и атмосферного воздуха.

Считается, что тропический циклон - это большая тепловая машина естественного происхождения, "топливом" которой служит морская вода, испарившаяся под действием нагрева от Солнца, а "сгорание топлива" происходит, когда этот пар конденсируется в холодном воздухе на некоторой высоте, выделяя тепло. При этом образуются "выхлопные газы", то есть дождевая вода, которая выпадает в виде сильнейших ливней из мощных дождевых облаков циклона. "Топливным насосом" служит область пониженного давления в центре тропического циклона, куда устремляется богатый паром воздух из приповерхностного слоя со всей округи. Помогает при этом и сила Кориолиса, которая возникает из-за вращения Земли и закручивает циклон, вращение вовлекает в систему окружающий тёплый воздух в приповерхностном слое атмосферы и отбрасывает (благодаря центробежной силе) "отработанный" холодный воздух на высоте. "Система впрыска топлива" - конвекция: тёплый влажный воздух отличается малой плотностью и поднимается вверх, в более холодные верхние слои атмосферы, которым и отдаёт тепло при конденсации водяного пара, питая циклон энергией. При этом воздух становится сухим и холодным, то есть более плотным и тяжёлым, а потому опускается вниз, к тёплой испаряющейся поверхности океана, где вновь нагревается, набирает влагу и втягивается в циклон. Пока под циклоном достаточно нагретой воды, он существует, а выйдя на сушу или переместившись в область с недостаточно нагретой водой, быстро теряет силу и рассеивается из-за недостатка "топлива".





Однако накоплены факты, которые не укладываются в эту картину работы естественного парового движка на фазовых переходах воды, и в статье некоторые из них перечисляются. Например, в тропиках северного полушария Земли тропические циклоны возникают значительно чаще, чем в тропиках южного, а в восточном полушарии - значительно чаще, чем в западном. Самый активный район зарождения тропических циклонов находится на северо-западе Тихого океана, а в тропиках по обе стороны от Южной Америки тропические циклоны очень редки. Такая асимметрия распределения тропических циклонов по симметричной и равномерно обогреваемой Солнцем планете, согласно статье, не может быть объяснена только лишь особенностями теплового режима и площадью поверхности воды конкретных областей мирового океана в тропиках.




Тропический циклон охлаждает воду у поверхности, забирая у неё тепло через испарение. Поэтому при его движении над океаном вода в его передней (по ходу движения) части должна быть теплее, чем в задней, потому что начинает охлаждаться раньше. Однако измерения показали, что температура воды под циклоном распределяется почти равномерно относительно его центра. Над тропическими циклонами могут образовываться антициклоны, в которых воздух закручен в противоположную сторону. Кроме тропических циклонов, существуют и внетропические, причём и те, и другие могут превращаться друг в друга. Вихри, похожие на тропические циклоны (с "глазом бури" посередине) были замечены и на севере планеты, в относительно холодных водах, где их, исходя из моделей, основанных на испарении воды, быть не должно. Считается, что для возникновения тропического циклона необходимо, чтобы вода была нагрета не менее чем до 26.5 градусов Цельсия в слое не менее пятидесяти метров толщиной, однако известны тропические циклоны, сформировавшиеся и над более холодными водами.

В статье приведены и другие неудобные факты, среди которых можно отметить тот, что в рассчётах тропических циклонов в качестве начального условия задаётся "наличие крупномасштабной начальной флуктуации". Т.е. моделируется уже непосредственно само развитие циклона, а за скобки выносится вопрос о том, что именно запустило процесс его формирования, что это за "начальная флуктуация" и откуда она взялась. Авторами статьи выдвинута следующая гипотеза. Все мощные атмосферные вихри, начиная от "пыльных дьяволов" и торнадо и заканчивая самыми сильными тропическими циклонами - тайфунами - порождаются единым механизмом, то есть, это частные случаи одного и того же явления. А именно: движение низкотемпературной плазмы в магнитном поле Земли. То есть, атмосферный воздух в циклоне содержит достаточно большое количество заряженных частиц (ионов), чтобы его движение стало подчиняться не только разности температур и давлений, но и магнитному полю планеты. Оказывается, в физике плазмы отмечены явления, похожие на те, что наблюдаются в циклонах, включая вращение полос облаков по спирали, формирование "глаза бури" в центре, смену направления вращения воздуха на большой высоте. А неравномерное распределение тропических циклонов по планете объясняется неоднородностью магнитного поля Земли. Известно, что магнитные полюса Земли не совпадают с географическими, ось магнитного поля наклонена относительно оси вращения и смещена относительно центра в сторону Тихого океана, а в районе Южной Америки магнитное поле существенно ослабленно.

Вот карта магнитного поля Земли, составленная группой спутников Swarm Европейского космического агентства, запущенных в 2013 году. Тёмно-синяя область на карте показывает, где магнитное поле планеты наиболее слабо. Именно на этот район и приходятся две области в тропиках южного полушария по обе стороны от Южной Америки, где тропические циклоны очень редки.

Магнитное поле Земли crop.jpg

Итак, "качественной моделью вихря может служить модель частично ионизованной плазмы в магнитном поле". Отталкиваясь от этой гипотезы, я и продолжил поиск по теории тропических циклонов. Известно, что для проявления газом свойств плазмы (например, движение под воздействием магнитного поля) достаточно, чтобы менее 1% его частиц превратились в ионы. Ионом может быть атом, молекула, маленькая капелька жидкости или пылинка с положительным или отрицательным зарядом. Заряд получается в результате отрыва или присоединения электронов. Например, атом - нейтральная частица: количество протонов (заряжены положительно) равно количеству электронов (заряжены отрицательно). Если каким-то способом оторвать от него электрон, то положительный заряд перевесит, и атом станет положительно заряженным ионом, а в газе появится свободный электрон, заряженный отрицательно. На отрыв электрона от атомы или молекулы затрачивается энергия. Её называют энергией ионизации. Чем она меньше, тем легче превратить атомы или молекулы вещества в ионы (ионизировать). Если к атому или молекуле присоединяется электрон, то отрицательный заряд перевешивает, и получается отрицательно заряженный ион, при этом выделяется энергия.

Далее ход мысли был таков. Воздух - это смесь газов, а также аэрозолей и мелких твёрдых тел (пыли, вулканического пепла, сажи и.т.п.). Все эти компоненты содержатся в воздухе в разных пропорциях. На 78% по объёму и на 75.5% по массе воздух состоит из азота, на 21% по объёму и 23% по массе - из кислорода, на 0.2-2.5% по объёму, в зависимости от места, состоит из водяного пара. Содержание следующих газов в воздухе составляет лишь доли процента: углекислый газ, метан, водород, хлор, криптон, ксенон, радон, пары ртути. Сравнение энергий ионизации этих веществ показало, что у азота она выше, чем у всего перечисленного:

Азот - 14.5-15.5 эВ (электронвольт)
Кислород - 12.07-13.6 эВ
Вода - 12.5-15.5 эВ

Углекислый газ - 13.7-14 эВ
Криптон: 13.99 эВ
Водород: 13.595 эВ
Хлор: 13.01 эВ
Метан: 12.62 эВ
Ксенон: 12.13 эВ
Радон: 10.74 эВ
Ртуть: 10.43 эВ

В разных источниках для некоторых веществ приведены разные значения, их диапазон указан через тире. Итак, у азота, из которого на 3/4 состоит воздух Земли, энергия ионизации выше, чем у прочих газов, при этом, за исключением кислорода и водяного пара, их содержание в воздухе составляет десятые, сотые и более мелкие доли процента. Но это значит, что если концентрация всего перечисленного (кроме азота) в воздухе над каким-то местом вдруг локально и резко возрастёт, то и перевести этот участок атмосферы в ионизированное состояние станет проще, а значит, и превратить его в тропический циклон - если верна гипотеза из статьи Артёхи и соавторов. В естественных условиях воздух в нижних слоях атмосферы ионизируется в основном остаточной радиоактивностью горных пород (и выделением газа радона из недр), дошедшими космическими лучами и солнечной радиацией. В бассейнах формирования тропических циклонов едва ли испытывается недостаток в этих факторах: там много вулканических островов (о том, что тропические циклоны "любят" острова написано и в статье про плазменную гипотезу), ярко светит Солнце. А как может резко измениться состав воздуха? Это может произойти в результате извержения вулкана, выхода в атмосферу газов, растворённых в воде или из дна океана. Экстремальные случаи выхода газов из водоёмов - это, например, взрывы метана над Чёрным морем, отмечавшиеся в связи с землетрясением в Ялте в сентябре 1927 года, или так называемые лимнологические катастрофы, в ходе которых из воды может выделиться столько углекислого газа и метана, что хватит на массовую гибель от удушья.

Рассуждая так, я и наткнулся на диссертацию Анастасии Капочкиной и её статью о тропических циклонах (в соавторстве с Борисом Капочкиным).

Анастасия занимается исследованиями в интереснейшей области - обмен литосферы жидкостями и газами с другими оболочками Земли, которые лежат выше и ниже. Это пока ещё толком непаханное поле, уже хотя бы потому, что до предмета исследований трудно добраться, и трудно его обнаружить. А поискать есть чего. Уже когда бурили скважину СГ-3, выяснили, что, вопреки ожиданиям, породы на больших глубинах полны трещин, заполненных водой. В последние годы стали появляться сообщения о том, что количество воды в литосфере серьёзно недооценивалось. Что в литосфере могут содержаться целые моря, или даже океаны - например, под Сибирью, под руслом Амазонки и в породах под океанским дном. Это вдобавок к уже известным крупным подземным водоёмам вроде Огалалла под США, Нубийского водоносного слоя на севере Африки и подземных вод Казахстана. Причём в этих подземных водах запросто может процветать весьма необычная по нашим меркам жизнь, которая, по некоторым оценкам, составляет до 2/3 биомассы Земли. По-английски её назвали сокращением SLiME - от Subsurface Lithotrophic Microbial Ecosystem. Есть гипотезы о существовании ещё более экстремальных микробов (HyperSLiME) под "чёрными курильщиками", где температура воды может превышать 400 градусов Цельсия, и даже в породах на глубине 19 километров. Ещё более смелые предположения были сделаны на основе анализа сейсмограмм и химического состава минералов - что целые океаны воды содержатся в... мантии планеты. Это вовсе не такое фантастическое предположение, как может показаться на первый взгляд. Вода существует при очень высоких давлениях и температурах в состоянии так называемой сверхкритической жидкости, и во времена Холодной войны в США даже разрабатывались экстремальные паровые котлы на такой воде. Кроме того, происхождение гидросферы Земли пока что не установлено, и недавно был нанесён серьёзный удар по кометной и метеоритной гипотезам, что прибавляет веса гипотезе о генезисе воды в земных глубинах.

Но если существование больших объёмов воды, газов и микроорганизмов в литосфере уже установлено, то с обменом всем этим между оболочками Земли пока неясно. Анастасия в своей диссертации и в статье утверждает, на основании своих исследований и работ других авторов, что обмен между оболочками идёт весьма активно, охватывает большие территории и приводит к масштабным атмосферным явлениям, в том числе и к тропическим циклонам. Примеры в работах прилагаются.

Циклоногенез по Капочкиной можно представить следующим образом. Литосфера - это не каменный монолит, а скорее губка. В ней множество трещин, полостей и пор, от крупных до микроскопических. Она полна жидкостей и газов, которые поступают в неё как сверху, из гидросферы и атмосферы, так и снизу, из мантии. И ещё литосфера периодически подвергается деформациям - сжатию и растяжению. Это происходит из-за движения тектонических плит, из-за взаимодействия Земли с другими телами Солнечной системы (прежде всего приливных между Землёй и Луной), из-за непостоянства скорости вращения Земли вокруг своей оси. Северное и южное полушарие планеты попеременно изменяют свой радиус в пределах двадцати сантиметров в год, то сжимаясь, то расширяясь. Это явление называется годовая мода геодеформаций. Северное полушарие расширяется в феврале-марте, в это время активизируется вулканизм в зонах спрединга - в районах рифтовых разломов и срединно-океанических хребтов, где литосферные плиты расходятся и образуется молодая океаническая кора. Сжимается северное полушарие в августе-сентябре, в это время активизируется вулканизм в зонах субдукции - там, где одна литосферная плита погружается под другую. В южном полушарии наоборот - расширение в августе-сентябре (активны вулканы у зон спрединга) и сжатие в феврале-марте (активны зоны субдукции).

Относительно размеров планеты двадцать сантиметров - это ничтожная величина, ни о каком "расширении Земли" речи не идёт. Однако даже такой деформации достаточно, чтобы изменилась проницаемость каменной губки, потому что литосфера, как и гидросфера и атмосфера - это очень тонкие оболочки, по сравнению со всей Землёй они как яичная скорлупа. При расширении литосферы её проницаемость увеличивается, в неё и через неё движутся жидкости и газы. Сжатие, напротив, приводит к тому, что содержимое литосферы выдавливается в другие оболочки Земли. Поскольку океаническая кора значительно тоньше материковой и в ней множество разломов и областей деформации, то её проницаемость для жидкостей и газов повышенная, их выделение может быть весьма масштабным и приводить к серьёзным последствиям для гидросферы и атмосферы. При этом, хотя и существуют области постоянного выделения веществ из литосферы в гидросферу ("чёрные курильщики" и высоконапорные источники воды, способные бить фонтанами над морской поверхностью), всё же выделение в основном происходит дискретно - то есть порциями, внезапно, после периода затишья.

Установлено, что в атмосферу из океанского дна, минуя водную толщу в виде газовых пузырей, выделяются метан, кислород, водород и хлор. При этом происходит окисление метана кислородом с образованием воды и углекислого газа и выделением тепла. Если же концентрация метана в воздухе над водой превосходит 15% и газ воспламеняется (например, молнией) то происходит взрыв с тем же результатом. Ещё одно следствие - понижение давления и повышение влажности воздуха. Это и может быть той самой "первоначальной крупномасштабной флуктуацией" с избытком тепла и пониженым атмосферным давлением, которая и развивается в тропический циклон. Может происходить также перемешивание воды по вертикали, подъём глубинных вод к поверхности (апвеллинг), при этом с воды снимается давление, и она выделяет растворённые в ней углекислый газ и кислород. То же происходит и при нагреве воды - с увеличением температуры растворимость газов в ней снижается, и они её покидают. А метан, углекислый газ и водяной пар как раз - парниковые газы, и оказавшись в атмосфере в большом количестве, могут устроить локальный парник над участком океана. В океане, как полагают, растворено в 60 раз больше углекислого газа, чем в атмосфере, и при нагреве воды на каждый градус его растворимость падает на 3%. Растворимость кислорода в воде падает в 2.5 раз при нагреве воды от 0 до 50 градусов, при этом Анастасия приводит данные, что в местах выходов "флюидов" из литосферы в океан концентрация кислорода в воде фиксировалась втрое большая, чем обычно бывает в том же месте.

В общем, можно представить себе внезапный выход газов из литосферы и океанской воды в атмосферу так: бутылку с газированной минералкой нагрели на солнечном свету, а затем воткнули в дно газовый баллон с метаном, открыли вентиль, потрясли и сняли с бутылки крышку - пузыри газа из баллона устремляются вверх, а растворённый в минералке углекислый газ из-за нагрева и снятия давления рвётся следом наружу. И, как замечено выше, у всех перечисленных газов энергия ионизации ниже, чем у большей части воздуха - азота, так что после выделения газов в атмосферу может начать действовать механизм, предложеный в статье Артёхи с соавторами. Дополнительный фактор: морская вода по сравнению с пресной богата металлами (в том числе и ртутью) и веществами в форме ионов. А металлы как раз отличаются относительно небольшой энергией ионизации. Ещё более насыщены металлами подземные воды, которые, поступая в воду океана, обогащают её ими. Неучтённый фактор во всём этом - вклад глубинных микробов, который может быть весьма значительным, так как они хемосинтетики и их в океанском дне может быть очень много.

Анастасия ссылается на работу М.И.Ярошевича, который на основании двадцатилетних наблюдений обнаружил, что тропические циклоны образуются над эпицентрами землетрясений - а бассейны формирования тропических циклонов как раз находятся в зонах повышенной сейсмической активности, например, в Тихоокеанском Огненном Кольце. Причём сначала формируется циклон, а затем происходит землетрясение. Ярошевич на основании этого предположил, что циклоны способны вызывать землетрясения. Анастасия же считает иначе: сперва возникает дефомация дна океана, из-за чего происходит масштабное выделение газов в атмосферу, запускающее тропический циклон, а тем временем деформация дна океана перерастает в землетрясение.

plate_tectonics_450.jpg
Эпицентры землетрясений.jpg
Распространие_железомарганцевых_конкреций.jpg

В качестве примеров она приводит, помимо прочего, аномальные тропические циклоны - такие как "Катарина" у берегов Бразилии в 2004 году и "Надина" в Атлантическом океане в 2012. Циклон "Катарина" сформировался в южной части Атлантического океана, где циклонов практически не бывает, вне зоны повышенной сейсмической активности, в пределах отрицательной температурной аномалии, где температура была ниже, чем в окрестностях, и не дотягивала до считающихся минимально необходимыми 26.5 по Цельсию. Если Анастасия права, то ничего странного нет: отрицательная температурная аномалия - результат апвеллинга (подъёма глубинных вод к поверхности), который приводит к выделению газов и повышению влажности воздуха, а спустя некоторое время после формирования урагана было зафиксировано весьма редкое в тех краях землетрясение. Циклон "Надина" также сформировался над областью, где температура не дотягивала до 26.5 градусов, просуществовал необычайно долго - целых 24 дня, и отличался тем, что упорно не хотел двигаться так, как предсказывали прогнозы. В итоге он вместо того, чтобы выйти на берег, завис над срединно-атлантическим хребтом, где в это время как раз фиксировалась активность. Объяснение всему этому безобразию - активность в районе срединно-атлантического хребта привела к выделению газов в атмосферу, которые запустили и поддерживали циклон. Ещё один интересный пример - циклоны с "глазом" посередине, как у тропических, возникавшие вне тропиков.

Интересно, кстати, что один из основателей геодинамики, Николай Николаевич Парийский считал, что возможная причина изменений скорости вращения Земли - одного из "спусковых крючков" деформаций литосферы - циркуляция атмосферы, передающая момент количества движения Земле. Если так, то, возможно, существет обратная связь? Изменение скорости вращения Земли через деформации литосферы и вызываемое ими выделение газов в амосферу запускает циклоны, а циклоны, воздействуя на циркуляцию атмосферы, влияют на изменение скорости вращения Земли.

Какие из всего этого можно сделать выводы?

Во-первых, тропический циклон, возможно, есть мост, связывающий естественные оболочки Земли от ядра (источника магнитного поля - магнитосферы) до ионосферы друг с другом и с космосом. По нему в обе стороны перемещаются вещество и энергия. Циклонный город вокруг него есть устройство, которое укрепляет этот мост, увеличивает его пропускную способность, регулирует потоки вещества и энергии в обе стороны, подключает к ним человечество и техносферу.

Во-вторых, оранжереи и цветущий океан вокруг циклона могут играть важнейшую роль в его поддержании и регуляции, если верна догадка о том, что для этого критически важны ионизированные газы в воздухе. Ведь растения и животные активно выделяют и поглощают метан, углекислый газ и кислород. Возможно, тропические циклоны как раз и гибнут над сушей потому, что буйная растительность тропиков поглощает из них углекислый газ, а планктон в прибрежных водах - углекислый газ и кислород. Попадая в более холодные воды, где температура ниже, а растворимость газов выше, циклон теряет и то, что осталось после работы этих живых систем очистки воздуха - и всё, это теперь не низкотемпературная плазма в магнитном поле, а просто облака, которые перестают крутиться и разносятся ветром по округе.

В-третьих, отмечается усиление активности тропических циклонов. Обычно это связывают с глобальным потеплением, но если перечисленные авторы правы, то возможно и дополнительное объяснение: техногенная деятельность человечества приводит к увеличению углекислого газа в воде и атмосфере и накоплению в воде тяжёлых металлов вроде той же ртути - и это улучшает условия для разгрузки газов и металлов из воды в атмосферу и их ионизации.

В-четвёртых, строительство циклонных городов может быть не так уж сильно привязано к сейсмически активным районам и тропикам, если решающим для формирования и регуляции является состав воздуха и степень ионизации, а не источники тепла.

В-пятых, есть смысл ещё более радикально изменить состав воздуха в циклонном городе - например, добавить в него более эффективные хладагенты для переноса тепла (например, фреон), распылить магнитные ионные жидкости для более устойчивой формы вихря и быстрого вращения.

В-шестых, когда разработка циклонных гродов дойдёт до стадии строительства действующих макетов, можно будет проверить все эти идеи с выделением газов и их ионизацией в магнитном поле. Соорудить миниатюрный макет города, поставить в бассейн вместе с электромагнитом по центру, баллонами для газирования воды, кипятильниками и ионизаторами воздуха (да хоть фенами с ионизацией, одолженными у прекрасной половины человечества и разложенными по периметру;)).
Tags: spaceship earth, Города будущего, Женщины идут!, Океан, Теория циклонов, Транспорт будущего, Циклонный город
Subscribe

  • Девочки и пушки

    Как известно, женщины давно и успешно осваивают профессии, которые считались или до сих пор считаются чисто мужскими. Похоже что теперь очередь дошла…

  • Когда пишут историю войн - логика страдает.

    Как известно, сомнения в описаниях войн прошлого у людей возникают, когда они начинают задавать очевидные, в общем-то, вопросы, которые, однако,…

  • "Книга Новостей", или пост о лютой "альтернативе".

    Внимание! Нижеследующий текст может вызвать жестокие страдания у некоторых читателей, или же публично выявить у них серьёзные изъяны в психике, будь…

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 0 comments