Портал создан при поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.

ВИХРИ — ОТ МОЛЕКУЛЫ ДО ГАЛАКТИКИ

П. МАНТАШЬЯН.

Инженер и патентовед Павел Николаевич Манташьян разработал теорию, объединяющую природные объекты и явления, отличающиеся в миллиарды раз. Спиральные галактики и вихри в атмосфере, тайфуны и молекулы воды, которые вращаются в магнитном поле земли, подчиняются одним и тем же законам. традиционное объяснение механизма образования циклонов сводится к воздействию силы Кориолиса на воздушные потоки. Гипотеза автора предполагает, что первопричина возникновения циклонов — появление момента количества движения у дипольной молекулы воды, движущейся в магнитном поле земли.

МЕХАНИЗМ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ТАЙФУНА

В земной атмосфере находятся пары воды, которые с воздушными потоками перемещаются в магнитном поле Земли, и, как следствие этого, в атмосфере образуются вихри разных размеров. Наиболее интересны и характерны из них, а также наиболее разрушительны тропические циклоны, или тайфуны, диаметры которых составляют сотни километров.

У всех тайфунов есть общая черта: в Cеверном полушарии они закручены против часовой стрелки, а в Южном — наоборот, по часовой. Тропические циклоны зарождаются в штилевой зоне над океанами (преимущественно между широтами 5—25°) как в Северном, так и в Южном полушарии, но полностью отсутствуют в экваториальной зоне, ограниченной приблизительно 5° северной широты и 5° южной широты.

Тропический циклон представляет собой систему очень сильных ветров, дующих вокруг безветренного центра, называемого глазом, вблизи которого скорость ветра может достигать 300—400 км/ч. Тропические циклоны характеризуются мощными восходящими потоками влажного воздуха вокруг “глаза” и нисходящими потоками воздуха в “глазе” тайфуна.

Попробуем объяснить механизм образования тропических циклонов.

Земля — гигантский намагниченный шар. Его поле совпадает с полем магнитного диполя, расположенного вблизи центра земного шара со смещением около 400 километров в сторону Тихого океана и наклонённого примерно на 12° к оси вращения Земли. Силовые линии этого гигантского магнита выходят из северного магнитного полюса в Южном полушарии и устремляются к южному магнитному полюсу в Северном полушарии. Они огибают земной шар и распространяются на многие тысячи километров в околоземном космическом пространстве.

Магнитное поле Земли в каждой точке пространства характеризуется величиной и направлением. Из всех его характеристик в плане образования циклона нас интересует вектор магнитной индукции

В и магнитное наклонение I, то есть угол между горизонтальной плоскостью и вектором магнитной индукции.

Картина магнитного поля Земли очень сложна, она периодически меняется, вызывая существенные отклонения от средней величины в данной местности (рис. 1). Однако несложные расчёты (они приведены в “Подробностях для любознательных”) показывают, что взаимодействие движущихся вверх молекул воды с магнитным полем Земли в первую очередь зависит от величины магнитной индукции В, то есть от магнитной широты (которая мало отличается от географической широты места). Момент количества движения молекул, а значит, и скорость их вращения в тайфуне максимальны на широтах 16о. То есть именно на этих широтах вероятность возникновения тайфуна наиболее велика. Это хорошо согласуется с результатами наблюдений за погодой. Но для его возникновения поднимающийся воздушный поток должен также иметь высокую влажность, которую могут обеспечить только обширные водные пространства с хорошо прогретой поверхностью (по данным некоторых авторов, не менее 27 градусов Цельсия). И тайфуны действительно образуются вблизи от экваториальной зоны (10—25° широты), над океаном, поверхностные воды которого хорошо прогреты, а восходящий поток имеет практически стопроцентную влажность. Как следствие этого, появление тайфунов носит ярко выраженный сезонный характер, что отражено данными, приведёнными в таблице.

За 79-летний период, отражённый в таблице, тайфуны в северной части тропической зоны Атлантического океана возникали 636 раз, то есть практически по 8 тайфунов в год. Из них 504 тайфуна, или почти 80%, приходятся на август, сентябрь и октябрь — период, когда поверхностные воды Атлантики прогрелись, но зато в январе, когда они остыли, за 79 лет не было ни одного тайфуна.

Как отмечалось выше, реальное магнитное поле Земли отличается от магнитного поля идеального магнитного диполя. А поскольку именно величина индукции магнитного поля играет важную роль в механизме образования тайфуна, районы океана с её повышенным уровнем наиболее “тайфуногенны”. К ним относятся районы между Южной и Северной Америками, к востоку от побережья Австралии, районы Японских островов и Индонезии. Во всех этих местах индукция магнитного поля составляет 40—50 микротесл. А в районах западного и восточного побережий Южной Америки и в Южной Атлантике, где тайфунов не бывает, уровень индукции магнитного поля Земли не превышает 25—30 микротесл.

В целом картина возникновения тайфуна такова. Хорошо прогретая поверхность океана обеспечивает мощный восходящий поток влажного воздуха, насыщенного молекулами воды, которые, поднимаясь, начинают вращаться вследствие взаимодействия с магнитным полем Земли.

Чтобы понять роль молекул воды в образовании тайфуна, представим себе ёмкость, заполненную воздухом, в которую опустили вентилятор. Его лопасти вращаются, вовлекая во вращение воздух. Если теперь мысленно уменьшить размеры лопастей вдвое, одновременно увеличив число вентиляторов в два раза, скорость вращения воздуха в ёмкости сохранится. Если последовательно продолжать мысленный процесс уменьшения размеров вентиляторов с одновременным увеличением их числа, в пределе можно дойти до лопастей размером с молекулу. Образно говоря, в процессе образования тайфуна каждая молекула воды играет роль миниатюрного вентилятора, так как она совершает вращательное движение в результате пересечения ею силовых линий магнитного поля Земли. И посредством многочисленных соударений каждая молекула воды передаёт собственный момент количества движения другим молекулам, не имеющим дипольного момента. Постепенно во вращательное движение вовлекается всё больше молекул влажного воздуха. Такая “спиновая поляризация” воздушного пространства со временем приводит к суммированию моментов количества движения отдельных молекул, что и служит основой образования вихря гигантских размеров.

Проверить это предположение лучше всего с помощью эксперимента.

ЭКСПЕРИМЕНТ

Оценим возможность получения момента количества движения молекулой воды, перемещающейся в магнитном поле. Для этого соберём установку (рис. 2), состоящую из ёмкости с водой, нагревателя, крутильных аэродинамических весов (коромысла с плоскими лопастями на концах) и вентилятора в вертикальной трубе, отходящей от ёмкости. Установка помещена между кольцами Гельмгольца — плоскими электрическими катушками, создающими однородное магнитное поле.

Вода в ёмкости подогревается и испаряется. Вентилятор обеспечивает движение влажного воздуха по трубе вверх. На кольца Гельмгольца подаётся постоянный ток, создающий однородное магнитное поле внутри пластиковой трубы. Если восходящий поток влажного воздуха приобретает вращательное движение, коромысло весов начинает вращаться. Если сменить полярность тока, питающего кольца Гельмгольца, влажный воздух станет закручиваться в противоположном направлении, что и отметят крутильные весы.

При подаче постоянного тока на кольца Гельмгольца необходимо учитывать следующее. Так как направление магнитного поля, создаваемого кольцами, совпадает с направлением магнитного поля Земли, сила тока должна быть подобрана таким образом, чтобы в случае изменения полярности тока абсолютная величина индукции суммарного магнитного поля внутри трубы оставалась постоянной. Тогда воздействие магнитного поля на восходящий поток влажного воздуха в обоих случаях будет одинаковым по абсолютной величине, но противоположным по направлению, что и приведёт к одинаковой скорости вращения крутильных весов. Только в одном случае крутильные весы будут вращаться в одну сторону, а именно в Северном полушарии против часовой стрелки, а в другом — в обратную (см. также рис. 4).

ТАЙФУН — ТЕПЛОВАЯ МАШИНА

Рассмотрим соотношение масс молекул воды и воздуха, содержащего эти молекулы воды. При температуре океана 27 градусов Цельсия температура воздуха над океаном будет около 35 градусов. При такой температуре и стопроцентной влажности масса паров воды в одном кубическом метре воздуха составит порядка 40 г, тогда как масса сухого воздуха того же объёма — 1260 г. Таким образом, видно, что масса молекул воды составляет примерно три процента от общей массы влажного воздуха. Отсюда понятно, что для образования тайфуна необходим длительный, порядка нескольких дней, “инкубационный период”. В течение этого времени происходит постепенное образование моментов количества движения у молекул воды в результате их взаимодействия с магнитным полем Земли, передача их посредством соударений нейтральным молекулам и аккумуляция моментов количества движения всех молекул в виде вихря. Тайфун возникнет, если процесс накопления момента количества движения идёт по нарастающей. Для этого достаточно, чтобы температура поверхностных вод океана не опускалась ниже 27 градусов Цельсия, а в дневное время уровень солнечной радиации способствовал испарению воды и созданию мощных восходящих потоков влажного воздуха. К счастью, все эти условия соблюдаются не всегда, поэтому тайфуны не такие уж частые гости в тропических широтах.

Как указывают многие исследователи, тайфун — своего рода тепловая машина, которая превращает тепловую энергию Солнца в энергию восходящего потока влажного воздуха, а она с помощью магнитного поля Земли преобразуется в энергию гигантского воздушного вихря.

Что же происходит с молекулами воды, которые восходящим потоком воздуха перемещаются с поверхности океана, природного нагревателя, в верхние слои атмосферы, служащие холодильником этой своеобразной тепловой машины? Они конденсируются, образуя облака, которые через некоторое время проливаются тропическим ливнем. Получается, что если при движении вверх молекулы воды вращаются в одну сторону, закручивая воздух в тайфуне, то при движении вниз они должны вращаться в противоположную сторону, тормозя вращение тайфуна. А поскольку количество молекул воды, движущихся в обоих направлениях, одинаково, то в принципе, казалось бы, тайфун должен быстро угаснуть. Однако этого не происходит.

Между молекулами воды, движущимися вверх и вниз, есть большая разница: они совершают свои путешествия в различных агрегатных состояниях. Вверх молекулы воды добираются поодиночке, в парообразном состоянии, а вниз — в виде капель жидкости. Одиночная молекула воды имеет большую свободу движения и может более эффективно играть роль своеобразного вентилятора, тогда как молекулы воды в жидкости, находясь в более тесном взаимодействии, такой свободой не обладают. Отсюда можно сделать вывод, что вероятность образования вихря напрямую зависит от агрегатного состояния дипольных молекул.

Анализируя таблицу повторяемости тропических циклонов в северной части тропической зоны Атлантического океана, можно заметить, что максимальное число тайфунов возникает именно в сентябре, когда после жаркого лета поверхностные воды океана достаточно прогрелись. Много тайфунов образуется также в августе — температура океана уже высокая и в октябре — температура ещё высокая, тогда как в июне и июле их число составляет всего лишь 20 процентов от сентябрьской нормы — океан ещё не успел прогреться после зимы.

Пространственно-временной анализ картины распределения тайфунов косвенно подтверждает гипотезу о возможности образования момента количества движения у дипольной молекулы, перемещающейся в магнитном поле.

Следует отметить, что таблица содержит суммарную информацию о тайфунах, а на диаграмме, изображённой на рис. 3, отражено число главных ураганов в Северной Атлантике по годам.

Из приведённой диаграммы видно, что распределение ураганов по годам неравномерно. Современные исследователи связывают это со многими факторами, в том числе и с активностью Солнца. Один из возможных механизмов такого влияния включает корональные выбросы — сброс старых магнитных петель конвективной зоны Солнца. Эти гигантские облака намагниченной плазмы массой до 10 миллиардов тонн летят к Земле со скоростью более 1000 км/с. В результате такого выброса в районе геомагнитного экватора регистрируются потоки протонов, позитронов и электронов, причём поток положительно заряженных частиц в несколько раз превышает поток электронов (см. “Наука и жизнь” №№ 3, 7, 2006 г.).

При движении молекулы воды в магнитном поле Земли её массивная отрицательно заряженная часть ОН играет основную роль в образовании момента количества движения и задаёт направление вращения молекулы. Данные о корональных выбросах Солнца, приводящих к потокам положительно заряженных частиц, влияющих на образование тайфунов, полностью подтверждают теорию. Формула силы Лоренца (2) в “Подробностях для любознательных” содержит четыре сомножителя, каждый из которых может быть положительным или отрицательным. В случае с корональным потоком, состоящим преимущественно из положительно заряженных частиц, каждая из которых в тысячи раз превосходит по массе электрон, их векторы скорости направлены прямо противоположно вектору скорости восходящего потока. Следовательно, они противоположны по знаку, то есть знак меняется у двух сомножителей из четырёх, что никак не отражается на знаке их произведения.

Следовательно, положительно заряженные частицы корональных выбросов Солнца действительно способствуют образованию тайфунов.

(Продолжение следует.)

Подробности для любознательных

СИЛА ЛОРЕНЦА

На частицу, имеющую электрический заряд и движущуюся в магнитном поле, действует сила Лоренца, выражение для которой в векторной форме имеет вид

Fл = q[VB], (1)

где q — заряд частицы; V — вектор скорости частицы; B — вектор магнитной индукции, [VB] — их векторное произведение, которое в скалярном виде выглядит так:

Fл = q| V| | B| sin α, (2)

где α — угол между векторами V и B.

Траектория частицы, пересекающей силовые линии магнитного поля, представляет собой винтовую линию, радиус которой

R = mVsin α/qB, (3)

где m — масса частицы, а ось спиральной траектории параллельна вектору индукции магнитного поля.

Момент количества движения такой частицы

L = mVRsin α. (4)

Подставив (3) в (4), получим

L=m2V2sin2α/qB. — (5)

А теперь поставим мысленный эксперимент. Представим себе, что в магнитном поле с одинаковыми скоростями движутся две частицы, имеющие разные массы т^щш заряды q, равные по величине и противоположные по знаку. Предположим, что частицы находятся одна от другой на расстоянии, позволяющем пренебречь силами их взаимодействия. Под действием сил Лоренца их траектории станут спиралями, оси которых параллельны вектору индукции магнитного поля B. А поскольку их заряды противоположны по знаку, это будут правая и левая спирали, и суммарный момент количества движения этих частиц равен алгебраической сумме их моментов количества движения:

LΣ = m12V2sin2α/qB — m22V2sin2α/qB (6)

или

LΣ = (m12- m22) V2 sin2α/qB. (7)

Воспользовавшись известным тождеством о разности квадратов, преобразуем (7):

LΣ = mΣ ∆ mV2sin2α/qB, (8)

где mΣ — сумма масс частиц; ∆ m — их разность.

Формула (8) позволяет сделать интересный вывод. Представим себе в целом электрически нейтральную систему, состоящую из равного числа положительных и отрицательных частиц разной массы. Если такую систему пропустить через магнитное поле, то суммарный момент её количества движения будет отличен от нуля. Если массы частиц одинаковы, момент количества движения системы частиц равен нулю.

Предыдущий вывод касался группы свободных зарядов, не взаимодействующих друг с другом и не связанных между собой. Рассмотрим теперь случай, когда заряженные частицы образуют классический электрический диполь — два противоположных заряда, равных по абсолютной величине q и жёстко связанных один с другим. Основной физической характеристикой такого диполя служит его электрический дипольный момент р, равный произведению абсолютной величины зарядов на вектор r, направленный от отрицательного заряда к положительному, длина которого равна расстоянию между центрами зарядов:

p = qr. (9)

При движении такого диполя в магнитном поле на каждый его заряд действуют силы Лоренца, противоположно направленные на заряды с разными знаками, и в целом на диполь подействует момент сил Лоренца:

Mл = px [VB],

который будет стремиться ориентировать электрический диполь вдоль направления, перпендилкулярного плоскости, образованной вектором индукции магнитного поля и вектором скорости электрического диполя. Для краткости назовём это направление лоренцевским.

Однако наиболее интересен случай поведения электрического диполя, заряды которого сосредоточены в разных по величине массах, но при этом связь между зарядами не жёсткая. В этом случае каждый заряд имеет ограниченную степень свободы, что позволяет ему описывать спиральную траекторию. Радиус такой траектории ограничен длиной и характером связи между зарядами и в некотором случае может быть меньше радиуса траектории свободного заряда. Для описания одной формулой обоих перечисленных случаев введём в формулу (8) коэффициент k, характеризующий параметры связи зарядов и меняющийся в пределах от 0 до 1. Назовём его коэффициентом вихреобразования:

LΣ = kmΣ∆ mV2sin2α/qB. (11)

В случае невзаимодействующих зарядов k = 1, а в случае зарядов, соединённых в жёсткий классический диполь, k = 0. В качестве реального электрического диполя рассмотрим молекулу воды, выбор которой обусловлен тремя причинами. Во-первых, вода — одно из самых распространённых веществ на поверхности земного шара. Во-вторых, она играет исключительно важную роль в природных явлениях. В-третьих, молекула воды обладает большим дипольным моментом, равным 1,84 дебая (дебай — единица электрического дипольного момента молекул, равная 3,34 х 10-30 кулон-метр).

В реальном электрическом диполе, например молекуле воды, силы связи между зарядами оставляют некоторую свободу их перемещения. При движении молекулы в магнитном поле её части, имеющие разные заряды и разные массы, вращаются в противоположных направлениях и общий момент количества движения молекулы отличен от нуля. Следовательно, коэффициент к реальной молекулы воды, имеющей большой дипольный момент, тоже отличен от нуля.

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ И ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ШИРОТА

Земля в первом приближении подобна намагниченному шару, для которого магнитное наклонение I и модуль вектора магнитной индукции B имеют связь с магнитной широтой φ, определяемую с помощью системы уравнений (12):



где M — магнитный момент шара; R — расстояние от центра шара до точки измерения магнитных величин.

Из приведённых формул видно, что силовые линии магнитного поля Земли в районе магнитного экватора горизонтальны, а в районе магнитных полюсов — вертикальны. Однако если учесть, что наклон земной оси относительно оси магнитного диполя невелик (порядка 12°), то в первом приближении магнитную широту φ можно считать тождественной географической широте.

Система уравнений (12) описывает идеализированное магнитное поле, тогда как реальное магнитное поле Земли имеет порой довольно существенные отклонения от идеала, кроме того, оно периодически меняется со временем.

МОЛЕКУЛА ВОДЫ И МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

Поскольку, как отмечалось выше, момент количества движения молекулы воды зависит от её взаимодействия с магнитным полем, попробуем рассмотреть функцию этой зависимости от магнитной (географической) широты.

Рассмотрим молекулу воды, перемещающуюся вертикально вверх в магнитном поле Земли со скоростью V (рис.5).

Запишем формулу (11) в виде

LΣ = CV2 sin2α/B, (13)

где

С = kmΣ∆m/q. — (14)

Учитывая, что sinα = cos I, — (15)

и подставив (12) в (13), после преобразований получим

LΣ= CV2R3cos2φ/M(1 + 3 sin2φ)3/2. (16)

Однако ось тайфуна вертикальна, и, следовательно, вклад в момент количества движения тайфуна внесёт составляющая, равная

LT = LΣ sin I. (17)

Подставив (12) в (16), получим

LT = Ksin φ cos2φ /(1 + 3 sin2φ)2, (18) где

К = 2CR3V2/M. (19)

Функция (18) характеризует зависимость величины взаимодействия вертикально движущихся молекул воды с магнитным полем Земли от магнитной широты. Назовём её функцией вихреобразования. График функции (18) в нормированном виде представлен на рис. 6, где её максимум принят за единицу, то есть все значения функции поделены на величину её максимума.

Из графика видно, что максимальное значение функции приходится на магнитную широту 16° и резко падает в экваториальной зоне и в высоких широтах, что полностью соответствует географии распределения тайфунов, приведённой на рис. 7.

Кроме того, функция обращается в ноль на экваторе и на полюсах, а при переходе через экватор меняет знак на противоположный. В Северном полушарии она положительна, тайфуны Северного полушария вращаются против часовой стрелки, а в Южном полушарии функция отрицательна, и тайфуны там вращаются по часовой стрелке (наблюдатель смотрит на тайфун сверху). В механике принято именно такое определение: вращение против часовой стрелки считается положительным, а по часовой — отрицательным.

Косвенным образом функция (18) характеризует вероятность возникновения тайфуна, которая максимальна именно на магнитных широтах 16°.

Обеспечим библиотеки России научными изданиями!


Случайная статья


Другие статьи из рубрики «Гипотезы, предположения, факты»

Детальное описание иллюстрации

Рис.2. Установка для создания вихревого движения воздуха. Она состоит из ёмкости с водой 1, к которой снизу присоединён нагреватель 2, а сверху — пластиковая труба 3. В середине трубы установлены крутильные аэродинамические весы 4 — коромысло, подвешенное на нити, с плоскими лопастями на концах. На торце тру бы расположен всасывающий вентилятор 5. По бокам трубы расположены кольца Гельмгольца 6 — плоские соосные электрические катушки, оси которых совпадают с направлением магнитного поля Земли в точке эксперимента (МПЗ). Магнитное поле колец однородно по всей длине трубы. Поведение крутильных весов можно наблюдать через прозрачную стенку трубы или окошко.
Рис. 4. Фотография, сделанная со спутника 11 сентября 1967 года, запечатлела довольно редкое природное явление — тайфуны-близнецы Джильда и Энни, расположенные по обе стороны от экватора. Отчётливо видно, что тайфун Джильда в Северном полушарии вращается против часовой стрелки, а тайфун Энни в Южном — по часовой. Тайфуны, перемещаемые пассатом, движутся параллельно, но скоро их траектории разойдутся в разные стороны под действием различных сил, возникающих в атмосфере. Снимок НАСА.