от Вам новая физика без всякой перестройки или КАК УСТРОЕНа АТМОСФЕРА ЗЕМЛИ

Юровицкий В.М., Москва[i]

Термодинамика и гравитация. Кто разлучил их.
И как их соединить

Структура и устройство атмосферы Земли изучены весьма детально. Ее исследуют метеорология и геофизики. Но это есть преимущественно эмпирическое исследование. Теории атмосферы практически не существует.

В чем причина такого положения? .

Атмосфера есть внешняя оболочка Земли. А Земля есть гравитирующее тело. Гравитация играет важную роль в протекании различных процессов. Таким образом, для атмосферы проблема учета гравитации является важнейшей.

Вторым фактором, определяющим структуру атмосферы, являются тепловые процессы.

Атмосферные движения, несмотря на их важность для практики, являются вторичным фактором. Причина в том, что глобальное состояние атмосферы, да и практически любого небесного тела, близко к стационарному, равновесному. Движения на фоне этой стационарности, равновесности играют роль сравнительно небольших флуктуаций по соотношению энергии движений и внутренней энергии стационарных состояний. 

На первом уровне исследований мы должны учитывать именно эти факторы – гравитацию и тепловые состояния. И в качестве основного состояния мы полагаем состояние термодинамического равновесия.

Термодинамические состояния изучает термодинамика. Но классическая термодинамика обычно рассматривала тепловые процессы и состояния без учета гравитационных влияний, точнее, без учета их воздействий на термодинамическую среду.

Таким образом, атмосфера как физический феномен должна рассматривать не обычной классической термодинамикой, а специальным ее разделом ─ гравитационной термодинамикой.

Действительно, рассматривая атмосферу как гравитационно-термодинамическую среду, мы видим весьма разнообразные температурные состояния этой среды ─ состояние с понижающейся температурой по высоте, состояния с постоянной температурой по высоте и, наконец, состояния с возрастающей температурой с высотой.

И задача гравитационной термодинамики, как физической теории, состоит в том, чтобы дать объяснение столь резкой высотной стратификации атмосферы, а не просто фиксировать ее как данность.

Но обращаясь к современному состоянию физики, мы обнаруживаем странный факт ─ практическому отсутствию чего-то такого, что можно было бы назвать гравитационной термодинамикой как физической теории. Это особенно удивительно на фоне необычайно высокого развития теории газообразных сред без учета гравитации ─ например, в классической термодинамике и газодинамике. В области научного описания явлений, относящихся к кругу гравитационной термодинамики, мы можем указать лишь на теорию размерности с ее небольшим набором так называемых «чисел». Можно представить, какой была бы, к примеру, газодинамика, если бы она использовала лишь аппарат размерностного подобия.

В чем же тогда дело? Почему теория газовых сред в горизонтальном рассмотрении имеет выдающиеся научные достижения, и в то же время практически не существует науки, рассматривающей эти же среды в вертикальной стратификации, т.е. в разрезе гравитационной термодинамики?

И тут мы не можем не сказать о самой отрицательной роли знаменитого физика, одна работа которого, выполненная в начале его научной карьеры, буквально блокировала более чем на полтора века саму возможность создания такой науки, фактически разъединила гравитацию и термодинамику.

В 1866 году Людвиг Больцман защитил докторскую диссертацию, посвященную описанию атмосферы в гравитационном поле. И вот эта работа [1] и сыграла в истории физики самую зловещую роль, не преодоленную до нынешнего времени. Заметим, что даже научный руководитель молодого Больцмана Лошмидт был категорически против этой работы, указывая вполне логично, что ее исходные положения полностью противоречат как практике и наблюдениям, так и самой науке термодинамике. Но, несмотря на эти вопиющие противоречия, эта работа до сих пор считается истинной наукой, что и блокирует развитие многих и многих наук и техник.

А суть его работы состоит в том, что он при рассмотрении термодинамически равновесного состояния атмосферы  положил, что такое состояние является изотермичным, т.е. с постоянной температурой по высоте. И на основе этой парадигмы он получил распределение атмосферного давления по высоте. И, к величайшему несчастию для физики, получившаяся эпюра давлений была более или менее близка к таковой же для, так называемой, стандартной атмосферы для ограниченной ее области ─ тропосферы (высота 0 ─ 10 км), принятой метеорологами в качестве стационарной равновесной атмосферы в этом интервале. Конечно, на больших высотах она расходилась с наблюдаемыми значениями радикально. Но этого случайного совпадения оказалось достаточно, чтобы более ста пятидесяти лет физики признавали эту теорию истиной, несмотря на все противоречия с иными разделами физики и реальными наблюдениями.  

Действительно, где мы вообще видели постоянство температуры в гравитационном поле? В земных недрах, в океане, в атмосфере, в звездах ─ практически всюду в гравитационном поле мы видим изменение температуры с высотой или глубиной. А ведь состояние близкое к равновесию есть наиболее распространенное состояние любых природных систем.

В газотермодинамике термодинамически равновесное состояние всегда рассматривается не как изотермическое, а как изэнтропическое. Т.е. получается, что при горизонтальном движении имеем изэнтропическое состояние, но стоит трубу поставить вертикально, и мы должны уже рассматривать равновесное состояние как изотермическое.

Наконец, равновесное термодинамическое состояние есть состояние с отсутствующими тепловыми потоками. А согласно фундаментальному закону термодинамики приход или расход тепла в систему равен произведению абсолютной температуры на приращение энтропии. Отсюда совершенно очевидно, что термодинамически равновесное состояние среды определяется именно отсутствием изменений энтропии, т.е. есть как изэнтропическое состояние.

В определенных случаях изэнтропическое состояние является одновременно и изотермическим. И поэтому именно изэнтропизм есть условие термодинамического равновесия не только в «горизонтальной» термогазодинамике, но и в вертикальной. Использование принципа изотермизма в качестве условия термодинамического равновесия есть грубейшая ошибка. И эту ошибку совершил более ста пятидесяти лет Людвиг Больцман и ее продолжает совершать современная теоретическая физика. Термодинамически равновесное состояние среды может иметь переменные температурные распределения. Это хорошо известно в современной газотермодинамике. Это мы наблюдаем в самых различных средах ─ от звезд до земной атмосферы.

А что же означает главный принцип теплотехнике о том, что тепло передается от более нагретого тела к менее нагретому? Этот принцип современная теплотехника и термодинамика понимает не совсем верно. Этот принцип действует на границе между средами. Т.е. если мы имеем термодинамический контакт между двумя средами или даже телами, то поток тепла через границу действительно идет от более теплой границы к менее теплой. Термодинамическое равновесие на границе между различными средами есть равенство температур на этих границах. Но это означает совсем не изотермизм термодинамически равновесных однородных сред, а лишь непрерывность температурного распределения в них. В однородной среде имеем изэнтропизм. А на границе между различными средами мы должны иметь уже отсутствие скачка температур. А вот удельная энтропия на границе сред может испытывать скачок. И именно скачок температуры на границе сред вызывает тепловой поток через границу от большей температуры к меньшей.

Итак, мы получаем новое понимание образованию и распределению тепловых потоков. В среде с непрерывным температурным распределением тепловой поток определяется классической формулой произведения абсолютной температуры на градиент энтропии. А на температурном скачке имеем уже тепловой поток через скачок, определяемый при малых значениях температурного скачка законом Фурье ─ произведением коэффициента теплопроводности границы, на которой происходит скачок, на величину скачка температуры с обратным знаком. Вот правильное понимание законов теплопереноса. 

Но в любом случае, правильное распределение в неограниченной среде в гравитационном поле в состоянии термодинамического равновесия есть изэнтропное распределение, но никак не изотермическое. И если в отсутствие гравитационного поля или в гравитационном поле на эквипотенциальной поверхности изэнтропизм и изотермизм, как правило, совпадают, то в вертикальном направлении ─ в направлении градиента гравитационного поля ─ изотермизм и изэнтропизм расходятся. Вот почему в гравитационном поле практически всегда, за редкими исключениями, имеем изменение температуры вдоль линий напряженности гравитационного поля. И это мы видим практически во всех гравитационно-термодинамических средах ─ в атмосферах планет и звезд, в недрах звезд и планет, в океанах и морях, в вертикальных теплотехнических сооружениях.

В чем ошибка Больцмана

При выводе своего закона теплового распределения в атмосфере Больцман использовал незадолго перед этим созданный инструмент решения задач статистической физики ─ распределение Гиббса.

Но он не понял его сущности. Распределение Гиббса есть микрораспределение. Оно описывает ансамблевое состояние частиц, находящихся между собой в некотором контакте. Для газа это означает описание газа в объеме длины свободного пробега, на котором и происходит эффективное взаимодействие хаотично движущихся молекул или атомов. Это распределение очень часто используют в физике микромира. И это распределение можно перенести на макрообъем, если все части среды тождественны, могут быть заменены друг на друга виртуальным перемещением без затраты работы. Но в атмосфере мы рассматриваем распределение на масштабах в тысячи метров по высоте. Виртуальное перемещение объемов частиц требует совершение работы. И потому распространять на макрораспределение микрораспределение совершенно недопустимо. Использовать параметр температуры, определенный в одной области, в другой области, размещенной на другой высоте, отделенной от первой на метры и километры, недопустимо. В этом и есть ошибка выдающегося физика девятнадцатого века Людвига Больцмана.  И ошибка эта сыграла трагическую роль. Она фактически разделила гравитацию и термодинамику. Препятствовала созданию гравитационной термодинамики, т.е. науке о тепловых процессах в условиях гравитационного поля. А именно эти процессы и имеют место в атмосферах звезд и планет, в недрах звезд и планет, в океанах и морях, в гидротехнических, энергетических, теплотехнических сооружениях. И это подлинный парадокс, что газодинамика прекрасно решает сложнейшие задачи движения газа вокруг крыльев самолетов, по лопаткам газовых турбин, в различных конфигурациях каналов. Но только при горизонтальном их расположении. Но стоит обычную трубу поставить вертикально, и газотермодинамика встает в тупик. Она не способна описать движение в такой простейшей пространственной конфигурации.

Метеорология, описывающая процессы в атмосфере и предсказывающая их развитие, является, фактически, эмпирической наукой. Ибо теоретически она должна использовать распределение Больцмана как предельное распределение. Но оно настолько противоречит опыту, что в качестве предельного распределения в ней используется стандартная атмосфера, ничего общего с изотермической атмосферой Больцмана не имеющей. Стандартная атмосфера как раз близка или даже совпадает именно с адиабатной (изэнтропной) атмосферой. Но проносится это распределение в метеорологию «контрабандой», ибо противоречит якобы научному распределению Больцмана. И это превращает саму метеорологию в полуэмпирическую науку, в которой невозможно применять теоретические газовые и тепловые законы в полном объеме. И это не может не сказаться на достоверности выводов и надежности метеорологических прогнозов.

Это не может не сказаться на таких теориях как теории звезд и планет, на океанологии, на тектонике. Не может не сказаться на создании различных технических устройств в энергетике, теплотехнике и пр., в которых используются тепловые процессы при существенном влиянии гравитации.  

Основные законы теплового распределения термодинамически равновесных сред

Основной закон теплового распределения термодинамически равновесных однородных сред есть закон изэнтропизма. В условиях постоянства удельной энтропии в термодинамической среде тепловые потоки отсутствуют даже при условии непостоянства температуры.

Как же распределяются при этом температуры в среде в условия гравитационного поля?

Оказывается, в этом случае определяющим параметром среды является коэффициент объемного расширения (сжатия) при постоянном давлении. И существует три варианта температурного распределения по высоте:

1. 1.      Нормальное распределение. Это распределение с падающей температурой с высотой. Условием такого распределения является положительная величина коэффициента теплового расширения. Это характерно, к примеру, для однородных сред, состоящих из идеального газа. Нижняя часть земной атмосферы ─ тропосфера удовлетворяет этим условиям. Она состоит из кислорода и азота, близких по характеристикам идеальным газам с весьма близкими собственными характеристиками. Действительно, молекулярная масса кислорода равна 32, азота ─ 28. И потому в тропосфере мы имеем нормальное температурное распределение ─ чем выше, тем холоднее. И это действительно наблюдается на практике.
2. 2.      Аномальное распределение. Это распределение с постоянной температурой по вертикали. Оно соответствует нулевому значению коэффициента теплового расширения. Итак, мы видим, что изэнтропия допускает существование больцмановской изотермической среды в гравитационном поле, но лишь в качестве аномального случая. Характерным примером такой среды является центральное океаническое и морское ядро, являющееся изотермическим при температуре +4^оС. При больших температурах вода имеет положительный коэффициент теплового расширения, при меньших ─ отрицательный. А при температуре  +4^оС коэффициент теплового расширения равен нулю. Потому мы и имеем аномальное температурное ядро в океанах, морях и глубоких озерах.
3. 3.      Обратное распределение. Это распределение с возрастающей температурой с высотой. Оно имеет место при отрицательном значении коэффициента теплового расширения.

Второй закон теплового состояния термодинамически равновесной среды в гравитационном поле касается многокомпонентных сред. В частности, если имеем двухкомпонентную среду со значительно различающимися молекулярными или атомными весами, то происходит более или менее сильная сегрегация ее. Более легкая компонента поднимается вверх, тяжелая больше концентрируется внизу. При этом именно легкая компонента уносит с собой существенную часть тепловой энергии, в результате чего имеем обратное распределение температур ─ температура возрастает с высотой. Наиболее известный пример такого распределения ─ это баня. Для повышения температуры в бане в верхней части пространства поддают пару, т.е. льют воду на печку. Этим самым образуется водяной пар. Молекулярная масса пара равна всего 18 единиц, что существенно меньше молекулярных масс кислорода и азота. Пар поднимается вверх, забирая с собой и тепловую энергию. В результате этого температура в верхней части бани (на полке) повышается.

Приведенные два закона теплового распределения термодинамически равновесной среды в гравитационном поле вполне достаточны для качественного решения различных вопросов.

Тепловая структура атмосферы 

Рассмотрим земную атмосферу, считая ее термодинамически равновесной. Конечно, на самом деле полного термодинамического равновесия нет. Но в первом приближении это можно принять.

Атмосфера состоит из ряда термодинамически выделенных слоев..

Первый слой ─ приземный ─ тропосфера. Он занимает высоты 0 ─ 10 км. Этот слой состоит из кислорода и азота. Ввиду близости их  термодинамических характеристик имеем почти однородную среду. По свойствам она близка  к идеальному двухатомному газу с положительным тепловым расширением. Расчеты для изэнтропной атмосферы дает линейно падающую с высотой температуру с градиентом 9.8 К/км. Для стандартной атмосферы в СССР принят градиент  6 К/км. По другим источникам 8 К/км.  Это очень хорошее совпадение. Особенно на фоне изотермической модели  Больцмана. Давление по высоте распределяется по степенной функции в степени -3.5 (по экспоненте в модели Больцмана). На рис.1 приведены эпюры температур и давлений в трех моделях ─ изотермической (Больцмановской), изэнтропической (Юровицкого) и, наконец, для стандартной атмосферы.  Легко видеть факт очень близкого совпадения эпюр давлений для всех трех моделей в тропосфере, что явилось одним из факторов, способствовавшим признанию достоверности больцмановской теории

Второй слой, размещающийся выше тропосферы, есть стратосфера. Стратосфера является озоновым слоем, который защищает Землю от жесткого ультрафиолетового излучения Солнца. Озон образуется из молекул кислорода под действием ультрафиолета. В стратосфере имеют место два термодинамических процесса. При повышении температуры возрастает скорость частиц, что ведет к положительному коэффициенту теплового расширения. Но одновременно увеличение скорости движения молекул кислорода увеличивает частоту столкновений этих молекул, увеличивает вероятности процесса образования озона. Этим самым количество частиц в системе уменьшается, и это ведет к уменьшению объема при постоянном давлении. Таким образом, этот процесс действует в противоположном направлении, в направлении отрицательного коэффициента теплового расширения. Сложение этих двух процессов приводит примерно к нулевому значению коэффициента теплового расширения.

Рис.1.

Эпюры температур и давлений в трех моделях атмосферы ─ в стандартной, изэнтропической и изотермической

В результате получаем вырожденное термодинамическое состояние в стратосфере ─ постоянство температур по высоте. И это действительно наблюдается в стратосфере. Стратосфера характеризуется практически постоянством температуры во всей ее толще.

Мы видим, как логично объясняет гравитационная термодинамика аномальное термодинамическое состояние стратосферы.

Третий слой атмосферы есть ионосфера. В ионосфере под действием солнечного ветра ─ потока высокоэнергичных частиц ─ происходит ионизация газа. Результатом этого является состав из сильно отличающихся по массе частиц ─ от электронов до ионизированных атомов и молекул.  Термодинамически в этом слое имеет место «эффект бани». Более легкие частицы поднимаются вверх, унося с собой тепловую энергию, тяжелые частицы опускаются вниз. Конечным результатом является обратное термодинамическое распределение ─ температура возрастает с высотой.

Наконец, четвертая оболочка Земли, которую можно также включить в атмосферу,  есть магнитосфера, защищающая Землю от солнечного ветра. Она простирается на сотни километров. Плотность частиц в магнитосфере настолько мала, что столкновения частиц между собой не являются определяющими, т.е. модель газа для нее неприемлема. Движение частиц в магнитосфере определяется преимущественно характеристиками потока солнечных частиц и их взаимодействием с магнитным полем Земли.

Итак, мы видим сложную структуру атмосферы Земли. И принцип изэнтропичности термодинамически равновесного состояния газовых сред позволяет дать ее теоретическое описание.

Тепловые потоки в атмосфере Земли

Слой с аномальным температурным распределением, т.е. слой постоянства температуры, обладает особыми тепловыми свойствами. Действительно, для наличия потоков тепла требуется градиент температур. Но если температура одинакова, то он   отсутствует. А для того, чтобы этот градиент возник нужна перестройка всего температурного поля. Но эта операция может оказаться энергетически невыгодна. Таким образом, даже при потенциальной возможности появления тепловых потоков, они не могут по нему идти. Этот слой находится с энергетической точки зрения в локально стабильном состоянии. И тепловой поток через этот слой не может идти. Другими словами, этот слой является теплоизолятором, даже сверхтеплоизолятором.. И при наличии такого слоя среда разделяется на две невзаимодействующие тепловым образом части под и  над ним. Прямого теплового общения между этими частями нет.

И если мы это применим к земной атмосфере, то мы увидим важнейшую роль, которую играет стратосфера. Она отделяет саму Землю от окружающего космического пространства и верхних слоев атмосферы по тепловым связям. Это разделение идет по теплопроводности. Но лучевая энергия может распространяться через этот озоновый слой. Причем сверху вниз эта лучевая энергия идет от Солнца к поверхности Земли преимущественно в виде видимого света, а лучевая энергия от Земли уходит в инфракрасном диапазоне.

Но ведь от Земли исходит и тепловая энергия, идущая в виде тропосферных тепловых потоков от твердой поверхности Земли. И эти потоки достигают стратосферы, которая является изолятором. Возникает вопрос ─ куда девается тепловая энергия?

И здесь имеет стандартный термодинамический процесс конвекции ─ превращения тепловой энергии в механическую энергию движения. Таким образом, тепловая энергия на границе тропосферы и стратосферы обращается в механическую энергию движения воздушных масс. И действительно, такие мощные движения воздушных массы мы как раз и наблюдем в этих областях в виде струйных течений. Струйные течения наблюдаются и на и на внешней границе стратосферы, на границе с ионосферой.

Тропосферно-стратосферные струйные течения в северном полушарии дуют с запада на восток, в направлении вращения Земли, опережая это вращение.

Но возникает еще одна проблема. Тепловая энергия идет постоянно. И умножение этой энергии все увеличивает и мощь этих течений. А куда эта энергия в конечном виде девается?

В океане мы также имеем внутреннее термодинамически инертное ядро с постоянной температурой, равной 4 градусов Цельсия. И оно также является изолятором и через него тепло земных недр не может пройти. И аналогично это тепло на границе твердой поверхности и воды преобразуется в движение, которое мы наблюдаем в виде океанических течений, охватывающих океанической ядро. С помощью этих течении тепло земных недр может выноситься на поверхность и далее за пределы Земли.

Но стратосфера окружает всю твердую поверхность Земли в виде сферического слоя. Промежутков, через которые вращательная энергия могла бы уходить за пределы стратосферы, не существует. В результате механическая энергия движения постепенно накапливается и, наконец, прорывается либо в стратосферу или тропосферу. Прорыв внешних струйных потоков ионизированных газов в стратосферу приводит к полярным сияниям и магнитным бурям. А разряд внутренних струйных течений в тропосферу приводит к неким высокоэнергичным метеорологическим явлениям в тропосфере.

Итак, мы видим, как из концепции изэнтропичности следует высокая активность атмосферы, существование большого количества атмосферных явлений. Причем все предсказания этой теории находят хорошее подтверждение в наблюдаемых погодных явлениях.

Метеорологические явления

Рассмотрим теперь основные метеорологические явления в атмосфере. Мы выделим четыре таких явления: это циклон, антициклон, тайфун и смерч.

Что есть циклон? Это наиболее понятное погодное явление. Циклон есть вихрь больших размеров с вертикальной осью вращения. На оси вращения мы имеем низкую температуру и пониженное давление. В центре имеем облачность с частыми дождями. К периферии циклона давление возрастает и возрастает соответственно и температура. Атмосферный циклон воспроизводится в малых масштабах в аппаратах циклонах с полным соответствием. В настоящее время аппаратные циклоны используются в качестве нагревателей и холодильников. В этих аппаратах используется искусственная гравитация. Однако, некоторые научные институты отвергают саму возможность такого их использования, основываясь как раз на больцмановской концепции теплообмена в гравитационном поле.

Второе важнейшее метеорологическое явление есть антициклон.

С точки зрения метеорологии название это может и обосновано, так как погодная картина обратна циклонной. Но с точки зрения физики и газодинамики оно некорректно. У циклона нет антициклона. Циклон это газовый вихрь. Антивихрей не существует.

Отсюда следует, что физическая картина антициклона в метеорологии совершенно не ясна. В антициклоне давление и температура в его центре повышенные. Что за физический механизм обеспечивает такие характеристики, метеорологам совершенно непонятно.

Но в рамках гравитационной термодинамики метеорологический феномен антициклона приобретает полное объяснение.

В теории текучих сред рассматриваются два типа вихрей. Вихрь с линейной осью и вихрь с замкнутой круговой  осью ─ вихрь Гельмгольца. Наиболее наглядное его представление ─ кольца дыма, которые выпускают умелые курильщики. В вихре Гельмгольца осевая (вихревая) линия замкнута и топологически эквивалентна окружности. Линии тока газа движутся вокруг этой вихревой линии также по замкнутым линиям, в простейшем случае по окружностям. А вся картина движения имеет тороидальную структуру.

Антициклон представляет собой вихрь Гельмгольца с  горизонтальной вихревой линией, расположенной в тропосфере на некоторой высоте. Причем в центре вихревой линии воздух движется сверху вниз, на периферии линии снизу вверх, а на поверхности земли имеем малоскоростное растекание воздуха из центральной части антициклона.

Диаметр вихревой линии может быть сотни километров, и антициклон представляет собой одно из самых масштабных метеорологических явлений.

Воздух в центре линии движется сверху вниз. При этом холодный разряженный воздух из верхних слоев атмосферы опускается вниз, сжимается, нагревается, осушается. В результате в центре стоит солнечная погода, теплая или даже жаркая, ветров самом центре нет, так как воздух движется вниз, создавая этим на поверхности Земли скоростной напор, что приводит к повышенному давлению, а затем из центра он растекается вдоль поверхности по радиальным направлениям. Причем скорость этого движения невелика. А уже за пределами проекции вихревой линии воздух поднимается вверх. Но так как избыточный воздух из центра распределяется по большой площади, то в этой области стоит обычная погода. Причем радиально-вертикальное движение воздуха на далекой периферии антициклона препятствует вторжению внешних воздушных масс, устремляя ветровые потоки вверх, что делает этот метеорологический феномен весьма устойчивым. Антициклоны могут размещаться на одном месте десятки дней и занимать громадные пространства. Как, например, это было летом 2011 года в Европейской России. 

Итак, мы видим, что вихрь с горизонтальной вихревой нитью и с нисходящим движением воздуха в центре очень хорошо соответствует картине такого метеорологического явления как антициклон.

Но стоит изменить направление движение воздуха в центре вихря Гельмгольца с нисходящего на восходящее, как мы уже получаем одно из самых высокоэнергических и грозных метеорологических явлений, известное как тайфун.

В центре тайфуна нижний плотный воздух поднимается вертикально вверх. Поэтому в центре будет очень низкое давление. Центральный канал тайфуна представляет собой, фактически, вертикальную аэродинамическую трубу, в которой происходит высокоскоростное восходящее движение воздуха, который при этом расширяется, охлаждается. А ввиду большой скорости воздуха конденсации влаги в этом канале не происходит, он находится в переохлажденном состоянии, и в центре стоит безоблачная штилевая погода. А в верхней части воздух из центрального канала растекается по сторонам, скорость движения его резко падает и в этой области происходит конденсация воды из переохлажденного ниже точки росы воздуха с образованием мощного слоя облаков. Имеем типичную картину «глаза бури» с очень низким давлением, безветренной погодой, ясным небом в окружении мощной облачности.

Воздух к «глазу бури притекает радиально со всех сторон. Но при радиальном втекающем движении воздуха (или любой текучей среды, что можно хорошо видеть на примере слива воды из ванны) воздух закручивается вокруг глаза бури, ускоряется и в окрестности ее имеем сильные, обычно штормовые ветра, которые при движении наблюдателя в этой области постоянно меняют свое направление. Воздух в окрестности глаза бури имеет сложное движение ─ центрально-радиальное и вертикальное, засасывая в глаз бури жидкие и даже твердые вещества и тела.

На отдаленной периферии тайфуна имеем нисходящее движение воздуха на большой площади и в этой области никаких особых явлений кроме несколько повышенного давления не имеется. Более того, идет подпитка тайфуна местными воздушными течениями, которые включаются в питание тайфуна. Поэтому тайфуны зачастую проходят громадные расстояния, не только не теряя своей силы, а, наоборот, подпитываясь местными воздушными течениями.

Воздух, притекающий к глазу бури с различных сторон оказывает давление на глаз бури, причем это давление может быть неоднородным и изменчивым. Поэтому «глаз бури» а вместе с ним и сам тайфун движется по направлениям, несущим зачастую случайный характер.   В отличие от антициклона, который малоподвижен, тайфун высокоподвижен и движется по Земной поверхности, проходя от зарождения до распада сотни и даже тысячи километров.

Энергия, сконцентрированная в тайфуне, гигантская. Конечно, это солнечная энергия. Но солнечная энергия весьма слабо концентрированная, она распределяется по большой поверхности. И в тайфунах она каким-то образом концентрируется вопреки второму закону термодинамики, утверждающему, что все естественные природные процессы имеют энерго-диссипативный характер. А здесь мы наглядно видим наличие природных энерго-концетрирующих процессов. Но один энерго-концентрирующий процесс мы уже видели в виде струйных течений, в которых происходит накопление и концентрация энергии. Вполне можно допустить, что тайфуны имеют связь со струйными течениями, через тайфуны происходит сброс и диссипация этой энергии.

Наконец, смерч представляет собой вертикальную, часто изогнутую линию, вокруг которой воздух движется одновременно центрально-тангенциально-вертикально. Фактически, это тот же самый тайфун, потому что где-то за пределами этой линии происходит соединение траекторий движения воздуха. Но если тайфуны имеют большие пространственные размеры, глаз бури составляет в поперечнике километры и десятки километров, а диаметр вихревой нити Гельмгольца может составлять сотни километров, то в смерче диаметр центра составляет всего лишь десятки и сотни метров.

Таким образом, мы описали важнейшие метеорологические процессы. Конечно, это описание неполно без учета движения паро-водяных масс. Очевидно, что роль этих масс чрезвычайно важна. Но это должно быть предметом особого рассмотрения.

Гравитация играет большую роль в тепловых и термомеханических явлениях. Но роль эта не ограничивается естественными природными явлениями. Эта роль распространяется и на искусственные явления, созданные техническими усилиями человека.

Дело в том, что нужно рассматривать два типа гравитации ─ гравитацию естественную и гравитацию искусственную.

Первый тип гравитации представляет из себя появление гравитационного поля вокруг массивных тел – звезд, планет и т.д.

Но искусственный тип гравитации возникает в в результате механического воздействия на объекты механики в их окрестности. Наиболее известный пример искусственной гравитации есть силовое поле, создающееся внутри вращающегося тела. Напряжения этого поля можно трактовать как гравитационное поле, но уже искусственного происхождения. Гравитационные поля искусственного происхождения возникают, к примеру, внутри ракеты на активном участке ее движения, в разнообразных иных механических состояниях ─ колебательных, вращательных, прецессионных и т.д.

Наконец, возможны сочетанные гравитационные поля естественного и искусственного происхождения. Наглядный пример такого рода сочетанного гравитационного поля представляет собой поле напряжений в теле летчика во время фигур высшего пилотажа или при спуске на американских горках.

Конечно, характеристики естественных и искусственных гравитационных полей различны. Например, естественное гравитационное поле уединенной массы есть спадающее по мере удаления от центра массы. А искусственное гравитационное поле вращения наоборот возрастает по мере удаления от центра вращения. Однако, локальное воздействие на механические объекты гравитационных полей обоего типа одинаково. Так, например, температурное распределение в атмосферном циклоне и в техническом аппарате циклоне идентичны

Возможность единообразного рассмотрения материальных систем под воздействием естественного и искусственного гравитационных полей и их сочетаний и представляет мощный инструмент исследований новой гравитационной термодинамики.

Заключение

    Рассмотрения тепловых и динамических процессов в атмосфере со всей очевидностью показывает ложность концепции изотермической термодинамически равновесной атмосферы, предложенной Больцманом полтора столетия назад и до сих пор являющейся «золотым стандартом» современного научного знания. И это несмотря на бесчисленное количество фактов прямо противоречащих изотермичности термодинамически равновесной атмосферы и вообще текучей среды как в естественном гравитационном поле Земли, так и в искусственных гравитационно-подобных полях вращательного состояния. Кроме того эта концепция прямо противоречит основным представлениям классической газотермодинамики, в которой именно изэнтропизм есть основное термодинамически равновесное состояние.

Показано, что в текучей среде движение потоков тепла связано с вариацией удельной энтропии, а на границах сред со скачком температур.  Показано, что температурное распределение вещественно однородной изэнтропийной атмосферы связано с такой термодинамической характеристикой как коэффициент теплового расширения при постоянном давлении. На основании этого выделены три типа термодинамически равновесных состояний: нормальное с убывающей температурой по высоте, обратное с возрастающей температурой и аномальное с постоянной температурой. При этом показано, что аномальное состояние является теплоизолятором.

Показано, что картина атмосферы, состоящая из трех основных слоев ─ тропосферы, стратосферы и ионосферы является наглядным подтверждением принципа изэнтропичности термодинамически равновесных сред.

На основании этих принципов рассмотрены главные метеорологические процессы ─ циклон, антициклон, тайфун и смерч.

Заложены основы нового раздела науки ─ гравитационной термодинамики ─ исследующей тепловые и термомеханические процессы в естественных и искусственных гравитационных полях, которая найдет широчайшее использование как в научной сфере (строение звезд, планет, атмосфер, океанов и морей), так и в технической при строительстве энергетических, тепловых и термомеханических объектов.

Небит-Даг ТССР ─ Москва

1975-2013