Он заглянул в эту раскачивающуюся и непрерывно изгибающуюся воронку, которая, казалось, вытянулась вверх метров на триста. В центре воронки имелась светящаяся область. Когда воронка изгибалась, по всей ее длине образовывались кольца. Не было видно ничего, что воронка тащила бы за собой. Холл мог нормально дышать (значит, давление воздуха не было слишком низким), вокруг было невероятно тихо (в отличие от страшного рева, оглушившего его при приближении торнадо). Неожиданно воронка отодвинулась, и родня Холла, выбравшись из укрытия, обнаружила его в сильнейшем волнении, но целого и невредимого.

Что вызывает смерчи на воде, эти огромные водяные воронки? Почему иногда лодкам удается спастись при встрече с водяным смерчем?

ОТВЕТ • Обычно водяные смерчи образуются над водой там, где сильный восходящий поток воздуха окружен областью нисходящего воздушного потока. Воздух, который втягивается в восходящий поток, уносит с собой мелкие капельки воды и отбирает тепло у верхних слоев воды. Он теплее и влажнее, чем окружающий его в воронке воздух. Теплый воздух устремляется вверх, но затем влага начинает конденсироваться, образуя водяные капли. Это превращение сопровождается выделением большого количества тепловой энергии, за счет чего воздух нагревается еще сильнее, а значит, увеличивается и скорость его движения вверх. Такой процесс называется геоконвекцией, и именно он управляет движением водяного смерча. Окружающий смерч воздух, особенно если он охлаждается из-за дождя, опускается, занимая место воздуха, поднявшегося по воронке. Водяной смерч напоминает торнадо, его даже часто описывают как очень слабое торнадо. Но геоконвекция, управляющая водяным смерчем, и нестабильность воздуха, приводящая к возникновению восходящего потока, скорее сродни пыльному вихрю[34].

Хотя часто лодки справляются со слабыми водяными вихрями, более сильные вихри могут значительно повредить и даже перевернуть лодку среднего размера.

Нижний конец водяного смерча окружен своеобразным футляром — вращающимся облаком из водяной пыли. Нижнюю треть воронки видно благодаря поднявшейся по ней воде, а верхнюю часть можно увидеть, если образовались капли, рассеивающие солнечный свет.

Пыльные вихри — частое явление в жарких странах, но, случается, они образуются и на холодной поверхности Марса. Такие вихри видны благодаря пыли, грязи и всякому мусору, подхваченному ими с земли и поднятому вверх. Часто пыльные вихри маленькие и безобидные, но иногда они очень высокие, до километра высотой, и достаточно мощные, способны поднять с земли небольшое животное или даже ребенка. Высота марсианских пыльных вихрей может достигать 6 км.

Вихри в тумане — небольшие завихрения в тумане, а туманными вихрями называют вихри, образующиеся над водой в холодные дни. И те и другие живут недолго и безопасны.

Что является причиной образования всех этих вихрей?

ОТВЕТ • Подобные вихри образуются благодаря неустойчивости, возникающей, если более холодный воздух располагается поверх более теплого. Например, пыльный вихрь может появиться, если яркий солнечный свет сильно разогреет землю, которая, в свою очередь, разогревает тонкий слой воздуха вблизи поверхности. Горячий воздух малой плотности должен подниматься от поверхности земли вверх, но, если в данном месте совсем безветренно или ветер очень слаб, холодный воздух, как одеялом, накрывает слой теплого воздуха. Такое расположение слоев воздуха нестабильно, и даже выскочивший из кустов кролик может инициировать стремительный выброс горячего воздуха вверх. Массы горячего воздуха устремляются по земле к месту прорыва «холодного одеяла», закручиваются вблизи него и формируют поднимающийся вверх столб горячего воздуха. Это и есть пылевой вихрь (рис. 2.12). Вихрь может закручиваться либо по часовой стрелке, либо против в зависимости от потока воздуха над землей и встречающихся на его пути препятствий. Опускаясь, окружающий вихрь холодный воздух вытесняет вверх горячий воздух, который уносится вместе с пыльным вихрем.

Рис. 2.12 / Задача 2.39. Закручивающийся вверх поток горячего воздуха, двигающийся вдоль нагретой земли. Холодный воздух опускается.

Пыльный вихрь может переместиться с земли на воду, но, пока он не захватит достаточное количество воды, разглядеть его будет трудно. Единственным свидетельством, указывающим на существование такого вихря, будут круги, которые он оставляет на воде.

В тумане вихри образуются, если туман поднимается над местом, покрытым мокрой, ярко освещенной травой. Трава нагревает воздух непосредственно над собой, и он поднимается вверх наподобие горячего воздуха в пыльном вихре. Однако влага в воздухе конденсируется с образованием капель. Это процесс, сопровождающийся выделением большого количества тепла, благодаря чему нагретый воздух поднимается еще быстрее.

Туманный вихрь может появиться над водой, когда температура воздуха ниже температуры замерзания, а температура воды выше этого значения. Тогда воздух непосредственно около воды теплее, чем воздух в вышине, а такое состояние неустойчиво.

Когда за окном очень холодно, вы можете сами создать миниатюрный туманный вихрь. Для этого поместите в комнате под окном широкий контейнер и наполните его очень горячей водой. Затем откройте окно, так, чтобы холодный плотный воздух, прошедший через окно, оказался над водой. Горячий воздух и водяной пар, поднимающиеся над водой, устремляются вверх со все увеличивающейся скоростью, поскольку холодный воздух плотнее и конденсация водяного пара идет с выделением тепла. Надо еще принять во внимание горизонтальную силу, обусловленную потоком холодного воздуха через окно. В условиях небольшой турбулентности сложное движение вверх и по горизонтали способно привести к образованию короткоживущих вихрей. Увидеть их можно будет благодаря конденсации водяных капель.

Как курильщикам удается пускать дым кольцами? Почему, приближаясь к стене, такие кольца увеличиваются в размерах? Как дельфинам удается создавать похожие кольца из воздуха в воде?

ОТВЕТ • Кольца дыма — круговые вихри, вырывающиеся из наполненного дымом рта при сильном выдохе. Когда курильщик выпускает дым и воздух через округленные губы, вблизи губ поток тормозится из-за трения и, следовательно, отстает от потока в центре отверстия. Это приводит к тому, что вокруг губ поток выгибается наружу, и возникает вихревое движение. Дым просто играет роль маркера, позволяя увидеть движение воздуха.

Когда кольцо дыма приближается к стене, трение потока воздуха о стену приводит к расширению кольца. Скорость вращения воздуха уменьшается, как уменьшается скорость фигуриста, когда он вращается на носке конька и расставляет руки.