Generation Model of a Spatially Limited Vortex in a Stratified Unstable Atmosphere

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

This paper presents a new model for the generation of axisymmetric concentrated vortices. The
solution of a nonlinear equation for internal gravity waves in an unstable stratified atmosphere is obtained and
analyzed within the framework of ideal hydrodynamics. The corresponding expressions describing the
dependences on the radius for the radial and vertical velocity components in the inner and outer regions of
the vortex include combinations of Bessel functions and modified Bessel functions. The proposed new nonlinear
analytical model makes it possible to study the structure and nonlinear dynamics of vortices in the
radial and vertical regions. The vortex is limited in height. The maximum vertical velocity component is
reached at a certain height. Below this height, radial flows converge towards the axis, and above it, an outflow
occurs. The resulting instability in the stratified atmosphere leads to an increase in the radial and vertical
velocity components according to the hyperbolic sine law, which turns into exponential growth. The characteristic
growth time is determined by the inverse growth rate of the instability. The formation of vortices with
finite velocity components, which increase with time, is analyzed. The radial structure of the azimuthal
velocity is determined by the structure of the initial perturbation and can change with height. The maximum
rotation is reached at a certain height. The growth of the azimuth velocity occurs according to a super-exponential
law.

About the authors

O. G. Onishchenko

Schmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences

Email: onish@ifz.ru
Moscow, 123995 Russia

S. N. Artekha

Space Research Institute, Russian Academy of Sciences

Email: sergey.arteha@gmail.com
Moscow, 117997 Russia

F. Z. Feygin

Schmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences

Email: feygin@ifz.ru
Moscow, 123995 Russia

N. M. Astafieva

Space Research Institute, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: ast@iki.rssi.ru
Moscow, 117997 Russia

References

  1. – Balme M., Greeley R. Dust devils on Earth and Mars // Rev. Geophys. 44, RG3003. 2006.
  2. – Battaglia F., Rehm R.G., Baum H.R. The fluid mechanics of fire whirls: An inviscid model // Phys. Fluids V. 12. P. 2859–2867. 2000.
  3. – Church C.R., Snow J.T., Baker G.L., Agee E.M. Characteristics of Tornado-Like Vortices as a Function of Swirl Ratio: A Laboratory Investigation // J. Atmos. Sci. V. 36. P. 1755–1776. 1979.
  4. – Justice A.A. Seeing the Inside of a Tornado // Monthly Weather Review. V. 58(5). P. 205–206. 1930.
  5. – Horton W., Miura H., Onishchenko O., Couedel L., Arnas C., Escarguel A., Benkadda S., Fedun V. Dust devil dynamics // J. Geophys. Res. Atmos. V. 121. P. 7197–7214. 2016.
  6. – Ives R.L. Behavior of Dust Devils // Bull. Am. Meteorol. Soc. V. 28. P. 168–174. 1947.
  7. – Larichev V.D., Reznik G.M. On two-dimensional solitary Rossby waves // Dokl. Akad. Nauk SSSR. V. 231. P. 1077–1079. 1976.
  8. – Nalivkin D.V. Hurricanes. Storms, and Tornadoes // Geographic Characteristics and Geological Activity. Rotterdam: A.A. Balkema, 1983.
  9. – Onishchenko O.G., Horton W., Pokhotelov O.A., Stenflo L. Dust devil generation // Phys. Scr. V. 89. 075606. 2014.
  10. – Onishchenko O., Pokhotelov O., Horton W., Fedun V. Dust devil vortex generation from convective cells // Ann. Geophys. V. 33. P. 1343–1347. 2015.
  11. – Onishchenko O.G., Horton W., Pokhotelov O.A., Fedun V. Explosively growing” vortices of unstably stratified atmosphere // J. Geophys. Res. Atmos. V. 121. P. 11–264. 2016.
  12. – Onishchenko O.G., Pokhotelov O.A., Astaf’eva N.M., Horton W., Fedun V.N. Structure and dynamics of concentrated mesoscale vortices in planetary atmospheres // Phys. Uspekhi. V. 63. P. 683–697. 2020.
  13. – Raasch S., Franke T. Structure and formation of dust devil-like vortices in the atmospheric boundary layer: A high-resolution numerical study // J. Geophys. Res. Atmos. V. 116. D16120. 2011.
  14. – Rafkin S., Jemmett-Smith B., Fenton L., Lorenz R., Takemi T., Ito J., Tyler D. Dust Devil Formation // Space Sci. Rev. V. 203. P. 183–207. 2016
  15. – Rennó N.O., Burkett M.L., Larkin M.P. A Simple Thermodynamical Theory for Dust Devils // J. Atmos. Sci. V. 55 P. 3244–3252. 1998.
  16. – Renno N.O., Abreu V.J., Koch J., Smith P.H., Hartogensis O.K., De Bruin H.A.R., Burose D., Delory G.T., Farrell W.M., Watts C.J. MATADOR 2002: A pilot field experiment on convective plumes and dust devils // J. Geophys. Res. (Planets) V. 109, E07001. 2004.
  17. – Sinclair P.C. The Lower Structure of Dust Devils // J. Atmos. Sci. V. 30. P. 1599–1619. 1973.
  18. – Stenflo L. Acoustic solitary vortices // Phys. Fluids. V. 30. P. 3297–3299. 1987.
  19. – Stenflo L. Acoustic gravity vortices // Phys. Scr. V. 41. P. 641. 1990.
  20. – Thorarinsson S., Vonnegut B. Whirlwinds Produced by the Eruption of Surtsey Volcano. Bull // Am. Meteorol. Soc. V. 45(8). P. 440–444. 1964). Sinclair P.C. General Characteristics of Dust Devils // J. Appl. Meteorol. V. 8. P. 32–45. 1969.
  21. – Tohidi A., Gollner M.J., Xiao H. Fire Whirls // Annu. Rev. Fluid Mech. V. 50. P. 187–213. 2018.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (88KB)
3.

Download (132KB)
4.

Download (88KB)
5.

Download (74KB)

Copyright (c) 2023 О.Г. Онищенко, С.Н. Артеха, Ф.З. Фейгин, Н.М. Астафьева

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».