دوامات الأعاصير : في الإعصار ، تتركز طاقة كبيرة في دوامة مدمرة تمتص كل شيء في طريقها. الضرر كبير وموقع أكثر بكثير من العاصفة التي أدت إلى هذه الظاهرة. والأكثر إثارة للإعجاب هي أعاصير النار التي تنشأ في بعض الأحيان في حرائق الغابات: خيط طويل من اللهب ثم ينفتح وينشط الاحتراق في قاعدته.
هذه الظواهر ، التي نادرًا ما تتاح لنا الفرصة لرصد الحياة فيها ، لحسن الحظ ، تشبه الدوامة التي تظهر في حوض أو حوض يفرغ. سيسمح لنا الالتفاف التجريبي بفهم كيفية تولد الدوامات والحفاظ عليها.
جدول المحتويات
تورنادو في زجاجة ماء
خذ زجاجة تحتوي على الماء واقلبها رأسًا على عقب مع تغطية عنقها بإحكام. في البداية ، يبقى الماء ساكنًا ، ثم يتم نقله تدريجياً بعيدًا بفضل الاحتكاك بين الجدار والسائل. من أجل تدوير جسيم سائل ، من الضروري في الواقع “قصه” ، أي بذل بضع قوى في محيطه. في حالتنا ، يقوم الجدار أولاً بتشغيل الحلقة السائلة فورًا عند التلامس ، والتي تعمل بدورها على الحلقة التالية ، وهكذا. ينتهي كل الماء في الزجاجة بالدوران ككتلة ، كما لو كانت صلبة: في كل مكان ، يدور الماء حول محور الزجاجة بنفس السرعة الزاوية ، وبالتالي بسرعة تتناسب مع المسافة إلى المحور. تحت تأثير قوة الطرد المركزي ،
لنزيد من سرعة دوران السائل عن طريق تحريك محور الزجاجة بسرعة في حركة دائرية. ثم نزيل الغطاء للسماح للماء بالتصريف. هذا التدفق له تأثير في تقريب كل جزيئات الماء من مركز الزجاجة ، أي إلى محور دوران السائل.
كل شيء يحدث بعد ذلك عندما تقوم متزلج دوّار بشد ذراعيها ويبدأ في الدوران بشكل أسرع ، ويكتسب سرعة زاوية. يعكس هذا الحفاظ على الزخم الزاوي لنظام لا يتم فيه ممارسة أي عزم ، وهو ما يحدث تقريبًا هنا (لأن الماء ليس شديد اللزوجة). الزخم الزاوي هو نتاج السرعة العرضية بالمسافة إلى المركز ، فإن حفظه يعني أن السرعة العرضية لجزيئات المائع لم تعد متناسبة ، بل تتناسب عكسياً مع المسافة إلى المركز!
دوامات الأعاصير : بل تتناسب عكسياً مع المسافة إلى المركز
هذا التسارع له حدود: كلما اقتربت من المحور ، يصبح التغيير في السرعة من نقطة إلى أخرى كبيرًا لدرجة أن القوى اللزجة تنتهي بالسيطرة. يبقى هناك قلب ، خيط حول المحور حيث يتحرك السائل مثل المادة الصلبة. تم تركيز الدوران الأكبر لسائل الزجاجة بالكامل.
ما الذي يمكننا إدراكه من كل هذه الفيزياء ، الماء شفاف؟ داخل السائل الدوار ، تميل قوة الطرد المركزي إلى تحريك جزيئات السائل بعيدًا عن المحور ، والتي مع ذلك تحتفظ بمسار دائري تقريبًا: يتم تعويض هذه القوة بضغط الحلقات الخارجية ، وهو أعلى من الضغط الذي تمارسه الحلقات الداخلية. بمعنى آخر ، كلما اقتربت من المركز ، انخفض الضغط.
إقرأ أيضا:أمريكا الشماليةعلى مستوى السطح الحر
على مستوى السطح الحر ، يكون الضغط ثابتًا ويساوي الضغط الجوي. فكيف يتم تعويض قوة الطرد المركزي هناك؟ بميل هذا السطح بالنسبة إلى الأفقي (مثل المنعطفات المرتفعة في الرياضات السريعة). نظرًا لاختلاف اعتماد السرعة v فيما يتعلق بالمسافة r في المركز ، كذلك يختلف اعتماد قوة الطرد المركزي (الموجودة في v 2 / r ) ، ثم نلاحظ أن الميل الذي يضمن توازن هذا السطح الحر يتوافق مع الشكل الزائدي.
وهكذا نرى نوعًا من أنبوب الهواء يظهر ويغوص تدريجياً في السائل حتى يصل إلى الرقبة لسرعات دوران عالية بدرجة كافية. بفضل هذا التلامس بين الهواء الموجود في الزجاجة والهواء الجوي ، يتم إفراغ الزجاجة بسهولة. لذلك فإن أنبوب الهواء هذا هو مظهر من مظاهر دوامة السائل ويوجد مظهره المميز في دوامات تفريغ الأحواض أو أحواض الاستحمام. هنا ، ليست هناك حاجة لوضع الماء في الدوران: فالتباينات الصغيرة لهذه الأوعية كافية لبدء دوران السائل الذي يتم إخلاؤه.
دوامات الأعاصير : ولادة وحياة وموت الدوامات
الآلية التي وصفناها تلتقط معظم الدوامات التي نراها في الطبيعة ، سواء كانت أعاصير مدمرة في الغرب الأوسط الأمريكي ، أو دوامات عملاقة في مضيق ناروتو ، اليابان ، أو على نطاق أوسع ، أعاصير مرة أخرى. يوجد في الواقع الخيط المركزي حيث تسود الضغوط المنخفضة ويمكننا رؤيته بفضل ما تمتصه: في حالة الأعاصير الصغيرة ، يمكن أن يكون الغبار ( شياطين الغبار ، دوامات الغبار ) أو اللهب (أعاصير النار). هناك أيضًا مائع متحرك (رياح ، تيارات) بسرعة دوران تزداد بقوة عند الاقتراب من المحور ، ولكنها تتناقص بعد ذلك عندما يخترق المرء القلب ، حتى يلغى نفسه (نظريًا) في مركزه:
كيف ولدت هذه الدوامات؟
كيف ولدت هذه الدوامات؟ من الضروري قص السائل – في الممارسة العملية ، لخلق اختلافات كبيرة في سرعة التدفق – لإحداث دوران كتلة (يتحدث الفيزيائيون عن الدوامة). في حالة Naruto Maelstrom ، تولد تأثيرات المد والحركات المتتالية للكتل المائية ، التي تضخمت بسبب ضيق المضيق بين جزر شيكوكو وأواجي ، تيارات قوية (حوالي 5 أمتار في الثانية).
بالنسبة للأعاصير ، ينتج القص عن حقيقة أن سرعة الرياح تعتمد على الارتفاع ، لا سيما على مئات الأمتار الأولى: الهواء عبارة عن سائل لزج “مرتبط” بمستوى الأرض ، والرياح موجودة لذلك تباطأ. من الناحية العملية ، يجب أن تكون الرياح قوية بما يكفي: هذا ما يحدث أثناء العواصف الرعدية وعندما تلتقي الكتل الهوائية الحارة والرطبة مع كتل هوائية أكثر برودة وجفافًا.
دوامات الأعاصير : يطرح سؤال في هذه المرحلة
يطرح سؤال في هذه المرحلة: إذا كان المائع ، أثناء تدفق الدوامة ، يتسارع ، ويزداد سرعته وبالتالي في الطاقة الحركية ، فمن أين يحصل على الطاقة اللازمة ، خاصة وأن لزوجته تتبدد؟ لا يزال بعضًا من تلك الطاقة؟
في حالة الزجاجة ، تكون الاستجابة فورية. كما هو الحال في السد ، يتم الحصول على الطاقة من طاقة الجاذبية الكامنة للماء ؛ عندما تفرغ الزجاجة ، ينخفض مستوى الماء! إذا تم إغلاق العنق مرة أخرى ، يتوقف التدفق الهابط ويجف مصدر الطاقة: الدوامة تكون مبللة.
ماذا عن الطبيعة؟
ماذا عن الطبيعة؟ أين يعادل ثقب العادم؟ بالنسبة للهواء ، فإنه عادة ما يكون بمثابة رفع للهواء الساخن الذي يشكل محرك الإعصار. يسمح هذا المصعد أيضًا بإمالة الدوامات التي تظهر أفقيًا بسبب القص بفعل الرياح الأفقية.
ثم ، عندما يتشكل الإعصار ، يرتفع الهواء في قلبه ، مما ينتج في قاعدته شفطًا عنيفًا للهواء المحيط ويحافظ على الاكتئاب. يمكن أن يحدث هذا الارتفاع بسبب حريق أدى إلى زيادة درجة حرارة الهواء على الأرض أو بسبب وجود سحب عاصفة ، الركام. في الحالة الأخيرة ، يبرد الهواء الدافئ والرطب الذي يرتفع ويصل إلى نقطة الندى: يتكثف بخار الماء الذي يحتويه ويشكل سحابة في قلب الإعصار. يصبح مرئيًا بوضوح! عندما يطلق هذا التكثيف الطاقة ، يسخن الهواء ويحتفظ بقدرته على الارتفاع. إنها آلية مضخة وصيانة فعالة للغاية.
أعاصير النار : ظروف المظهر المختلفة
على الرغم من كل معرفتنا الجديدة بفيزياء الأعاصير النارية ، ما زلنا لا نعرف كيف نتوقع متى وأين سيحدث. هناك شيء واحد مؤكد على الأقل: العنصر الأساسي في تدريبهم هو وجود مصدر مهم للدوران.
في هذا الصدد ، أظهرت دراسات الحالة لنا أن أحد أكثر الأماكن ملاءمة لتشكيل الأعاصير النارية يقع على الجانب المواجه للريح من الجبل. أثناء دورانه حول الجبل ، يخلق تدفق الهواء حركات دوامة إلى الوراء من الجبل ، كما هو الحال في تدفق النهر مباشرة أسفل مجرى الصخور. إذا تمت إضافة حريق إلى هذه الدوامات ، فستكون الأخيرة قادرة على جمع كل هذه الحركات الدوارة معًا وتحويلها إلى إعصار من النار.
دوامات الأعاصير : تحويلها إلى إعصار من النار
ومع ذلك ، فقد تعلمنا من الممارسة أن الدوامات النارية يمكن أن تظهر أيضًا على أرض مستوية وفي غياب الرياح. لذلك ، ربما تكونت دوامة كبيرة من النار التي ظهرت في كانساس نتيجة اصطدام جبهة باردة بهواء محيط دافئ فوق حقل مشتعل. وفي عام 2007 ، أظهر روي زو وزي نيو وو ، من جامعة تسينغهوا في بكين ، أن تكوينات معينة حيث توجد عدة حرائق يمكن أن تؤدي إلى تيارات على الأرض وتنتهي بتدويرها. ومع ذلك ، يمكن أن تظهر هذه التكوينات بشكل عفوي بفضل اندفاعات الحرائق ، أي الحرائق الثانوية التي أشعلتها براندون التي يشعلها العديد من الحرائق.
هل نحن في وضع يسمح لنا بتحديد أصل دوران الهواء الذي تسبب في الإعصار الرهيب الناتج عن حريق كار
بعد كل هذه الاعتبارات ، هل نحن في وضع يسمح لنا بتحديد أصل دوران الهواء الذي تسبب في الإعصار الرهيب الناتج عن حريق كار؟ بالنظر إلى دوامات النار العديدة التي سبقت الظاهرة ، كانت حركات دورانية مهمة بلا شك موجودة في المنطقة. طلبت من ناتالي واجنبرينر ، الزميلة في مختبر ميسولا ، إجراء محاكاة رقمية للطقس في ذلك اليوم. أظهر عمله أن الهواء البارد الكثيف للمحيط الهادئ قد دُفع شرقاً وفوق قمة سلسلة جبال غرب ردينغ.
كان هذا الهواء البارد أثقل بكثير من الهواء الدافئ في وادي ساكرامنتو ، حيث سجل مطار ردينغ درجة حرارة قصوى تبلغ 45 درجة مئوية في ذلك اليوم! عن طريق الجاذبية لذلك كان هواء البحر البارد يتدفق على طول جوانب الجبال باتجاه قاع الوادي. ومع ذلك ، من الغريب أنه حيث تشكل الإعصار الناري ، بدا أن تلك الرياح السطحية القوية قد هدأت.
دوامات الأعاصير : كيف كان هذا ممكنا؟
كيف كان هذا ممكنا؟ لقد فهمت أخيرًا أننا نتعامل مع المكافئ الجوي للقفزة الهيدروليكية التي تمر بها المياه المتدفقة إلى البحيرة الواقعة أسفل السد. ثم نلاحظ أن سطح الجسم المائي الهادئ قد تم تعزيزه .(إنها القفزة) من خلال تكوين وصيانة موجة كسر ثابتة ، والتي تحدد الحد بين التدفقات. ومع ذلك ، فإن هذه الموجة مصحوبة بحركات دوامة شديدة. وبالمثل ، فإن الهواء البارد الكثيف الذي كان يسير على جانب الجبل. دخل إلى البركة الدافئة والهادئة لهواء وادي ساكرامنتو . مما تسبب في قفزة يحتمل أن تكون مسؤولة عن الحركات الدورانية القوية في منشأ إعصار النار من حريق كار.
دوامات الأعاصير : بشكل منفصل
بشكل منفصل ، اقترح نيل لارو وزملاؤه من جامعة نيفادا. في عام 2018 أن الغيوم pyrocumulonimbus التي يزيد ارتفاعها عن 10 كيلومترات والتي تغلبت على حريق كار بينما تشكل إعصار النار ساهم أيضًا في تمدد الدوامة إلى ارتفاع كبير ، مع تخفيفها وتسريعها.
إذا استمرت حرائق الغابات في التصاعد ، فقد نشهد أعاصير حرائق في كثير من الأحيان. يمكن للدروس المستفادة من الفحص الدقيق للظاهرة أن تساعدنا في منع المزيد من المآسي التي تسببها هذه الظواهر. نأمل أن تسمح لنا الأبحاث الجديدة ، جنبًا إلى جنب مع التقدم في التنبؤ بالطقس وقوة الحوسبة . قريبًا بتحديد الظروف المواتية لتشكيل إعصار ناري وتنبيه السكان المعنيين في الوقت المناسب.
إعصار حريق الغابة
أعاصير النار هي أعمدة من النار والدخان تدور بسرعات مماثلة لتلك الخاصة برياح الإعصار النموذجية. إنها نادرة ولكنها مدمرة للغاية. متينة بشكل ملحوظ ، يمكنها الانفصال عن النار الرئيسية ومفاجأة مجموعات كاملة من رجال الإطفاء. إنهم يمتصون البراندون عالياً ويبصقونها ، مما يؤدي إلى عدد من الحرائق الثانوية غير المتوقعة. على الرغم من أن الباحثين يتفهمون بشكل متزايد فيزياء الأعاصير النارية ، فإن التنبؤ بهذه الظواهر لا يزال يمثل تحديًا.
