О динамике массивных частиц в смерчах

Ингель Л.Х. (1, 2)

(1) Научно-производственное объединение "Тайфун", Обнинск, Россия
(2) Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, Москва, Россия

В литературе по интенсивным атмосферным вихрям (торнадо, «пыльным дьяволам», «водяным смерчам») в последние годы все больше внимания уделяется движению в них тяжелых частиц (гидрометеоры, брызги, поднятые в воздух частицы почвы, обломки, связанные с разрушениями – широко используется термин «debris» а также аббревиатура TDS (Tornado Debris Signature) и термин «debris ball»). Это связано с рядом важных приложений.
В частности, в работе [1] обращается внимание на то, что доплеровские радары фактически регистрируют не движение воздуха, а движение тяжелых частиц, которое, вообще говоря, отличается от движений воздуха. Движение частиц и их пространственное распределение несут много информации и в оптическом диапазоне. Поэтому приобретает значение вопрос о движении тяжелых частиц в смерче в условиях сильного «центрифугирования». Этот вопрос важен и для ряда других приложений. Утверждается, что наличие некоторого количества тяжелых частиц в смерче может заметно влиять на его динамику Наличие в воздухе тяжелых частиц/предметов – фактор, усиливающий ветровой напор на сооружения и другие опасности, связанные со смерчами. Согласно опубликованным оценкам, масса поднятой и переносимой торнадо тяжелой примеси в некоторых случаях может достигать и превышать 10000 тонн.
В докладе аналитически исследуется движение инерционных частиц в интенсивных вихрях с вертикальной осью в поле силы тяжести. В этой задаче существен нелинейный характер гидродинамического сопротивления – его зависимость от модуля скорости движения частицы относительно среды. Разные составляющие движения взаимодействуют между собой, поскольку каждая из них влияет на коэффициент сопротивления. Найден эффективный способ приближенного аналитического решения задачи. Установлен ряд общих закономерностей динамики частиц. Сравнение результатов с имеющимися в литературе отдельными численными расчетами [1] подтверждает адекватность модели при значениях чисел Рейнольдса до порядка 1000. В некоторых отношениях, удовлетворительное согласие можно констатировать и для более массивных частиц. Оценена дальность переноса тяжелых частиц за пределы области интенсивных ветров. Адекватное описание движения частиц может иметь значение для правильной интерпретации результатов радарного зондирования смерчей, для оценки связанных с ними опасностей и, возможно, для моделирования динамики самих смерчей.

Литература
1. Dowell D. C., Alexander C. R., Wurman J. M., Wicker L. J. Centrifuging of hydrometeors and debris in tornadoes: Radar-reflectivity patterns and wind-measurement errors // Mon. Wea. Rev. 2005. V. 133. N 6. P. 1501–1524.