Сальса «пыльных дьяволов»
Категория: Общие, Исследования, Научная жизнь
«Пыльные дьяволы» (Dust Devils) – это вращающиеся столбы восходящей пыли и вполне обычные атмосферные явления на поверхности Земли. Они представляют класс малых концентрированных вихрей и из-за присутствия пыли могут выглядеть как миниатюрные или небольшие торнадо.
Недавно коллективом ученых из России (д.ф.-м.н. О.Г. Онищенко, д.ф.-м.н., профессор О.А. Похотелов, ИФЗ РАН), Англии (В.Федун, Г.Верт, Университет Шеффилда) и США (В.Хортон, Университет Техаса) были обобщены результаты исследований «пыльных дьяволов» в приземной атмосфере. В статье «Dust Devils: Structural Features, Dynamics and Climate Impact», опубликованной в январе 2019 года в журнале Climate, особое внимание авторы уделили описанию трехмерных структур, внешних потоков и атмосферных градиентов температуры, которые приводят к образованию и поддержанию этих вихревых структур.
Обычно «пыльные дьяволы» не представляют угрозы. При этом, согласно результатам анализа Национального совета по безопасности на транспорте США, «пыльные дьяволы» были наиболее вероятной причиной нескольких авиакатастроф.
Присутствие пыли и аэрозолей в атмосфере также является одним из важных элементов, определяющих глобальное и региональное изменение климата. Пыль перераспределяет энергию за счет рассеяния и поглощения как солнечной, так и земной радиации. Это может вызывать нагрев атмосферы, что в целом увеличивает количество осадков, но охлаждает поверхность. Пылевые аэрозоли служат ядрами конденсации воды в жидкую фазу (в качестве ядер конденсации облаков) и в твердую фазу (как зародыши льда).
Поступление пыли в атмосферу определяется многочисленными явлениями, среди которых пылевые бури, извержения вулканов, торнадо и, в том числе, «пыльные дьяволы». Пыль, подхваченная зональными ветрами, оказывает влияние на глобальный цикл пыли в атмосфере. В связи с этим, изучение мощных механизмов подъема пыли на большую высоту крайне целесообразно для построения моделей теплового состояния атмосферы.
Чаще всего «пыльные дьяволы» наблюдаются в летние дни, когда погода тихая, сухая и безветренная, а почва достаточно нагревается солнечным излучением. Поднимающийся теплый воздух создает вихревую воронку с пониженным давлением в центре. Диаметр «пыльного дьявола» составляет от нескольких метров до нескольких десятков метров, а по высоте они достигают нескольких сотен и даже тысяч метров. Эти вихри переносятся в атмосфере со скоростью, близкой к скорости невозмущенного ветра. Для «пыльных дьяволов» характерна сальтация (от латинского Salto – танцевать/прыгать) – процесс парения и переноса песка по поверхности планеты, а также процесс электрификации.
В обычных условиях ветер не способен поднимать мелкую пыль до больших высот. Однако вихревые структуры, такие как «пыльные дьяволы», могут переносить пыль достаточно высоко в атмосферу. Влияние пыли на систему океан-атмосфера является малоизученным аспектом климата Земли. Знание этих взаимодействий является одним из важнейших условий адекватного прогнозирования изменений погоды и изменчивости климата.
Еще в 1960-х годах проблема удаления радиоактивной пыли вихрями при наземных ядерных испытаниях стимулировала изучение вихрей. Но, несмотря на актуальность изучения концентрированных вихрей, теоретическое моделирование еще недостаточно разработано, чтобы предложить более полное понимание и прогнозирование динамики этих вихрей. Важно найти новые точные решения гидродинамических уравнений, которые определяют вихревую структуру и динамическую эволюцию «пыльных дьяволов».
В результате численного моделирования динамики «пыльных дьяволов» авторы статьи выделили несколько характерных этапов образования вихря. На начальной стадии наблюдается образование мелкомасштабных спиральных образований. С течением времени происходит затухание мелких спиральных структур и формирование более симметричной центральной части.
На приведенном рисунке интервал времени между стадиями соответствует примерно четырем поворотам «пыльного дьявола».
Ранее О.А. Похотелов и О.Г. Онищенко уже рассматривали в своих работах феномен «пыльных дьяволов» на Земле и на Марсе и физику этого процесса (см. статьи в журналах «Земля и Вселенная», 2015; Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, 2017).
Ссылки по теме:
О.Г. Онищенко, О.А. Похотелов, Н.М. Астафьева «Генерация конвективного движения и пылевых вихрей в неустойчиво стратифицированной атмосфере» // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2017. Т. 14. No 2. С. 230–239 DOI: 10.21046/2070-7401-2017-14-2-230-239