22
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
средняя общеобразовательная школа №22
Смерчи и их влияние на жизнь человека
Учебно-исследовательская работа по физике
Составитель:
Попова Анна,
Евтушенко Борис
учащиеся 10 класса А
Научный руководитель:
Пшенина. Е. А.
Южно – Сахалинск, 2015
Содержание:
Введение………………………………………………………………...………3-4
Глава I. Смерч или торнадо:
1.1Жизненный цикл торнадо………………………………………………..…..5
1.2Структура торнадо…………………………………………………………….6
1.3Классификация смерчей………………………...……………………….….7-8
1.4Особенности смерчей……………………………….…………………...……9
1.5 Причины образования торнадо…………………..……………………..…..10
1.6 Использование торнадо в хозяйственной жизни человека…….……….…11
Глава II: Практическая часть……………………………………..……..12-14
Заключение………………………………………………..……………………15
Список литературы…………………………………….……………..……….16
Приложение………………………………………………….…………………17
Введение:
Смерчи, воздушные вихри, перемещающиеся с большой скоростью, могут встречаться практически в любых регионах Земного шара, в том числе и на Сахалине. Воронки воздуха, движущиеся с большой скоростью и поглощающие большой объём пыли и мусора, как правило, приносят большие разрушения. С повышением температуры мирового океана объём водяного пара в атмосфере будет увеличиваться и, как следствие этого будет возрастать количество смерчей и ураганов, а также возрастать их сила. Поэтому изучение данной темы актуально.
Проблема: можно ли создать искусственный смерч в домашних условиях, зная причину его возникновения.
Гипотеза: возможно, зная причины возникновения смерча, можно предсказывать его появление и научиться управлять его поведением.
Цель: создание искусственного смерча в домашних условиях, выяснение причин его возникновения и определение степени его влияния на жизнь человека.
Задачи:
Проанализировать литературу об истории смерчей, их классификациях и природе возникновения.
Определить условия, приводящие к возникновению смерчей.
Попытаться создать искусственный смерч в домашних условиях.
Определить влияние вихрей на жизнь человека.
Определить возможности использования смерчей в хозяйственной жизни человека.
Методы исследования:
Теоретические: Анализ и синтез полученной информации по теме. Сравнение и аналогии полученных данных.
Эмпирические: эксперимент.
Объект исследования: влияние смерча на жизнь человека.
Предмет исследования: смерч.
Базой научно-исследовательской работы явилась МБОУ СОШ № 22 города Южно-Сахалинска.
I: Смерч или торнадо.
Торнадо (смерч) – это вращающаяся колонна воздуха, распространяющаяся от основания кучево-дождевого облака вниз часто до самой поверхности земли, в виде хобота или воронки. Обычно видимый поперечный диаметр воронки смерча в нижнем сечении составляет 300—400 м, хотя, если смерч касается поверхности воды, эта величина может составлять всего 20—30 м, а при прохождении воронки над сушей может достигать 1,5—4 км. Вращение торнадо, как правило, происходит против часовой стрелки в Северном полушарии и по часовой стрелке в Южном. И только 1% от всех смерчей вращаются наоборот. Это связано с действием силы Кориолиса, которая отклоняет воздушный или водный поток вправо от первоначального его движения.
1.1Жизненный цикл торнадо:
Рассмотрим эволюцию торнадо от самого рождения до исчезновения. Большинство смерчей связаны с суперячейками (рис.1,приложение1). Суперячейки - это атмосферное образование, которое продуцирует суровые погодные условия. Они включают в себя два кучево-дождевых облаков. Они могут занимать по площади от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч квадратных километров. Сопровождаются мощными шквалами, крупным градом и сильнейшими ливнями. Существуют три стадии в жизненном цикле торнадо:
Этап - зарождение:
образуется материнское облако - мезоциклон, который сопровождается обильным выпадением осадков. Затем образуется воронка, которая устремляется вниз. Вращение передается нижним слоям воздуха.
Этап:
воронка достигает земной поверхности, но это если сохраняются приток теплого и влажного воздуха. Тогда торнадо увеличивается в ширину и увеличивается скорость вращения.
На стадии зрелости торнадо наносит максимальный ущерб. В это время RFD начинает обтекать торнадо, постепенно перекрывая доступ тёплых и влажных потоков, которыми питается смерч (рис. 2, приложение 1).
Этап:
после того, как зона нисходящих потоков перекрывает поступление тёплого воздуха к торнадо, он начинает ослабевать, становится более тонким, наступает последняя стадия – диссипация. Она длится всего несколько минут, после чего торнадо рассеивается.
1.2Структура торнадо:
Внутренняя структура смерча на стадии зрелости представлена на рис 3 (приложение 1). Когда воронка достигает земной поверхности, то создаётся точечная зона очень низкого давления, куда устремляются потоки приземного воздуха со всех сторон, формируется зона втягивания. Достигнув самой воронки, эти потоки закручиваются и поднимаются вверх по спирали.
Внутри воронки воздух опускается, а снаружи поднимается, быстро вращаясь, создаётся область сильно разреженного воздуха. Разрежение настолько значительно, что замкнутые наполненные газом предметы, в том числе здания, могут взорваться изнутри из-за разности давлений. Это явление усиливает разрушения от смерча, затрудняет определение параметров в нём. Определение скорости движения воздуха в воронке до сих пор представляет серьёзную проблему. В основном оценки этой величины известны из косвенных наблюдений. В зависимости от интенсивности вихря скорость течения в нём может варьироваться( 30 км/ч – 1300 км/ч). Сам смерч перемещается вместе с порождающим его облаком. Это движение может давать скорости в десятки км/ч, обычно 20—60 км/ч. В месте контакта основания смерчевой воронки с поверхностью земли или воды может возникать каскад — облако или столб пыли, обломков и поднятых с земли предметов или водяных брызг. При формировании смерча наблюдатель видит, как навстречу опускающейся с неба воронке с земли поднимается каскад, который затем охватывает нижнюю часть воронки. Термин происходит от того, что обломки, поднявшись до некоторой незначительной высоты, не могут уже удерживаться потоком воздуха и падают на землю.
Воронку, не соприкасаясь с землёй, может окутывать футляр. Сливаясь, каскад, футляр и материнское облако создают иллюзию более широкой, чем есть на самом деле, смерчевой воронки.
1.3 Классификация смерчей:
Чаще всего проводят классификацию смерчей по условиям их образования и форме видимой воронки. По условиям формирования различают следующие типы смерчей ( рис 4, приложение 1 ):
Сухопутные смерчи (торнадо) – это наиболее мощные вихревые структуры на нашей планете, которые возникают над твёрдой земной поверхностью при сильной конвективной неустойчивости воздушной массы. Для них очень важную роль играют горизонтальные (в районе фронтальных разделов) и вертикальные градиенты температуры воздуха, достаточное влагосодержание в нижних и средних слоях тропосферы и сильный сдвиг ветра (изменение его направления и скорости по высоте). Чаще всего, характерным признаком наличия этого типа вихря является мезоциклон (колонна вращающегося восходящего потока под основанием развитого кучево-дождевого облака). Часто являются элементом суперячейки.
Водяные смерчи– это вихри, которые также связаны с кучево-дождевой облачностью, возникающие над прогретой водной поверхностью недалеко от побережья (в пределах до 100 км от берега), имеющие вид полупрозрачной трубы. Обычно они на несколько порядков слабее сухопутных, перемещаются с меньшей скорость и могут образоваться при достаточно слабой неустойчивости в атмосфере. Для смерчей этого типа большую роль играет вертикальное и горизонтальное распределение температуры и влажности воздуха в пограничном слое атмосферы, где происходит столкновение сухого и тёплого воздуха с берега и более холодного и влажного воздуха над морской поверхностью. Скорость ветра в них составляет обычно не более 30 м/с.
Почти каждый смерч начинает своё существование в качестве воронкообразного облака, свисающего с основания грозового облака. Но в дальнейшем в зависимости от различных условий и факторов, воронка может принять разные формы. И в зависимости от визуального вида воронки, выделяют следующие типы:
Бичеподобные – наиболее распространенный тип смерчей, как на территории США, так и в других регионах планеты. Имеет вид тонкой полупрозрачной (но не всегда) воронки, часто искривлённой из-за разной скорости ветра на высотах. Чаще всего являются относительно слабыми вихрями. Такая форма наиболее характерна для водяных смерчей и ландспутов, в таких воронках иногда выделяют т.н. «футляр» - конденсационная стенка, окутывающая саму воронку.
Клиновидные – являются наиболее опасными и мощными из всех смерчей. Имеют вид широкой тёмной колонны, сужающейся до поверхности земли. Ширина таких смерчей у подножия может составлять несколько км, а скорость ветра в них часто превышает 100 м/с, причиняя катастрофические разрушения. Время жизни колеблется от нескольких минут до нескольких часов. На начальной стадии формирования имеют вид расплывчатого смерча. Стоит отметить, что и бичеподобные и клиновидные смерчи образуются в зоне основного восходящего потока мощного грозового облака, где располагается облако-стена. Но если первые являются частью этого облака, то вторые являются этими облаками, которые достигают поверхности земли.
Если из одного облака-стены спускаются несколько воронок, то формируется многовихревое торнадо. Это самый редкий вид смерчей. При этом всегда выделяется главный вихрь и несколько более мелких вокруг. Они, так же как и клиновидные смерчи, наносят серьёзный ущерб.
1.4Особенности смерчей:
Смерчи могут иметь широкий диапазон расцветок, в зависимости от условий окружающей среды, где они формируются. Если смерч формируется в достаточно сухих условиях, то он может быть практически прозрачным за исключением облака из пыли в основании воронки. Во время перемещения над водоёмами, торнадо может стать полностью белым или даже голубым. Медленно движущиеся воронки, которые поглощают большой объём пыли и мусора, как правило очень тёмные и принимают цвет того материала, который втягивают. Условия освещения очень сильно влияют на внешний вид смерча. Торнадо, который подсвечивается солнцем, выглядит очень тёмным. Если же солнце освещает смерч в том же направлении, в каком смотрит на него наблюдатель, то он принимает серый или серебристый оттенок. Торнадо, который наблюдается при закате солнца, может принимать оттенок от светло-жёлтого до розового. В ночное время торнадо можно заметить только под действием молниевых разрядов или мощных искусственных источников света, поэтому в это время они особенно опасны.
1.5 Причины образования торнадо:
Причины образования смерчей полностью не достаточно изучены до сих пор. Можно указать лишь некоторые общие сведения, наиболее характерные для типичных смерчей.
Смерч может возникнуть при поступлении тёплого воздуха, насыщенного водяным паром, когда происходит соприкосновение тёплого влажного с холодным сухим «куполом», образовавшимся над холодными участками поверхности земли (моря). В месте соприкосновения происходит конденсация водяного пара, при этом образуются дождевые капли и выделяется тепло, локально нагревающее воздух. Нагретый воздух устремляется вверх, создавая зону разрежения. В эту зону разрежения втягивается близлежащий теплый влажный воздух облака и нижележащий холодный воздух, что приводит к лавинообразному развитию процесса и выделению значительной энергии. В результате этого образуется характерная воронка. Холодный воздух, затягиваемый в зону разрежения, ещё более охлаждается. Опускаясь вниз, воронка достигает поверхности земли, в зону разрежения втягивается всё, что может быть поднято воздушным потоком. Сама зона разрежения перемещается в сторону, откуда поступает больший объём холодного воздуха. Воронка двигается, причудливо изгибаясь, касаясь поверхности земли. Осадки при этом относительно небольшие.
В случае смерча разрушения возникают вследствие локального выделения значительной энергии, накопленной при образовании водяного пара, а исходным источником энергии является излучение солнца.
1.6 Использование торнадо в хозяйственной жизни человека:
Самым простым способом использования смерча в хозяйственной жизни человека можно назвать использование его как альтернативного источника энергии. Для этого введем альтернативное определение торнадо.
Торнадо - это визуально видимый канал тепло-массо-электрообмена между любой точкой земной поверхности и ионосферой Земли, при этом то, что мы видим и воспринимаем как "торнадо" визуально для нас имеет высоту около 1 километра, но для понимания полной картины явления нужно заглянуть гораздо выше, примерно на 100 километров. То есть торнадо это процесс перехода тепловой энергии среды в кинетическую вихря.
То есть речь идёт об использовании энергии солнца. Торнадо можно рассматривать как источник экологически чистой энергии. Тёплый воздух поднимается вверх, преобразует свою тепловую энергию в интенсивное вращение, а в качестве “выбросов” у развитого торнадо - только охлаждение окружающей среды, снег и лёд. Надо сказать - это очень непростая задача: получить устойчивый искусственный управляемый торнадо снять механическую энергию - это уже второстепенная и вполне решаемая задача.
Конструкция предельно проста. Необходимо перевернуть все вверх ногами. Таким образом, генерация искусственного вихря очень упрощается. Что нужно для формирования вихря? Немного тепла окружающей среды, влага и первоначальная закрутка массы влажного воздуха. В чашеобразную емкость наливается обыкновенная вода. Мотор-генератор на начальном этапе, при помощи турбины со спиральными лопатками, начинает закручивание водо - воздушного конуса и после выхода работы конструкции на режим торнадо, мотор-генератор можно переключить в режим съёма энергии.
II. Практическая часть: получение модели торнадо
Эксперимент I:
Приборы и материалы: анальгин, гидроперит, спички, вентилятор от компьютера, аккумулятор, колбу, цилиндр , чашку.
Взяв по одной таблетке анальгина и гидроперита , размельчив их, перемешали полученную смесь. Затем добавили эту смесь в чашку, поместили ее сначала в колбу, затем в высокий цилиндр с дном и подожгли. Так был получен дым, дым в ходе опыта закручивали вентилятором.
Ход работы:
Колба, широкая, короткая.
Когда дым стал подниматься вверх, то над колбой расположили вентилятор.
Дым заполнил все пространство колбы,завихрений нет
Не получили ожидаемого результата.
2
Цилиндрузкий, высокий.
Когда дым стал подниматься вверх, над сосудом мы расположили вентилятор.
Дым стал закручиваться, образуя своеобразную модель торнадо.
Получили модель торнадо, но он оказался недолговременным.
В результате опыта была получина модель торнадо, то-есть спирально закручиваемый вихрь. Но вихрь не получился долговременным, так как опыт был проделан в колбе дном и выходящий спиральный поток сталкивается с входящим. Поэтому торнадо, начинавший закручиваться, сдувало ветром.
Эксперимент II:
По результатам первого опыта бало решено провести второй опыт с учетом всех недочотов. Во втором опыте использовались анальгин, гидроперит, спички, вентилятор от компьютера и аккумулятор, чашка, два штатива и прозрачный цилиндр без дна.
Ход работы:
Таким образом, в результате опытов № 3 и 4 были получены устойчивые вихри.
Вывод: в результате проведенных экспериментов была полученна модель торнадо, которую планировалось создать.( фото экспериментов приложение 2).
Заключение
Таким образом, торнадо – это, действительно, одно из страшных и опасных природных явлений. Торнадо оказывает сильное влияние на жизнь человека. Однако при тщательном изучении свойств смерча можно найти сферы в которых возможно это явление использовать. Так же, проведя наш опыт, мы выяснили, что вихревое движение воздуха сбивалось из-за того, что искусственный смерч находился в колбе. Может в дальнейшем именно это и поможет предотвратить столь опасное природное явление.
Список литературы:
НикишовА.И. Кучменко В.С. ,Козлова Т.А. Большой справочник школьника – М.: Дрофа, 1999.
Арсеньев С. Смерчи и торнадо ,- М.: Наука, 2005
Герштейн М. Смерчи- М:Мысль, 2009
Сноу Д. Т. Торнадо - В мире науки, 1984, №6.
Наливкин Д. В. Смерчи.-М.: Наука, 1984.
Кушин В. В. Смерч.- М.: Энергоатом 1993.
Приложение 1:
[pic]
Рисунок 1-1 a:
процесс формирования торнадо в суперячейке
[pic]
Рисунок 2-1b:
стадия зрелости смерча и захлопывание тёплого сектора
[pic]
Рисунок 3:
внутренняя структура смерча
[pic]
Суперячейка
[pic]
Рисунок 4
[pic]
Сухопутный смерч
[pic]
Водяной смерч
[pic]
Бичеподобный смерч
[pic]
Клиновидный смерч
Приложение 2:
Эксперимент I:
[pic] [pic]
[pic] [pic]
[pic] [pic]
Эксперимент II:
[pic] [pic]
опыт №1 опыт №2
[pic] [pic]
опыт№3 опыт №4
