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

O. G. Onishchenko; Онищенко О. Г.; S. N. Artekha; Артеха С. Н.; F. Z. Feygin; Фейгин Ф. З.; N. M. Astafieva; Астафьева Н. М.

doi:10.31857/S0016794023600047

Модель генерации ограниченного в пространстве вихря в стратифицированной неустойчивой атмосфере

Авторы: Онищенко О.Г.¹^,2, Артеха С.Н.², Фейгин Ф.З.¹, Астафьева Н.М.²
Учреждения:
1. Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта (ИФЗ РАН)
2. Институт космических исследований (ИКИ РАН)
Выпуск: Том 63, № 4 (2023)
Страницы: 511-519
Раздел: Статьи
URL: https://ogarev-online.ru/0016-7940/article/view/134742
DOI: https://doi.org/10.31857/S0016794023600047
EDN: https://elibrary.ru/OUEAFP
ID: 134742

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Только для подписчиков

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

В данной работе представлена новая модель генерации осесимметричных сосредоточенных вихрей. Получено и проанализировано решение нелинейного уравнения для внутренних гравитационных волн в неустойчивой стратифицированной атмосфере в рамках идеальной гидродинамики. Соответствующие выражения, описывающие зависимости от радиуса для радиальной и вертикальной компонент скоростей во внутренней и внешней области вихря, включают комбинации функций Бесселя и модифицированных функций Бесселя. Предложенная новая нелинейная аналитическая модель позволяет исследовать структуру и нелинейную динамику вихрей в радиальной и вертикальной области. Вихрь ограничен по высоте. Максимум вертикальной компоненты скорости достигается на определенной высоте. Ниже этой высоты радиальные потоки сходятся к оси, а выше происходит отток. Возникшая неустойчивость в стратифицированной атмосфере приводит к росту радиальной и вертикальной составляющей скоростей по закону гиперболического синуса, переходящему в экспоненциальный рост. Характерное время роста определяется обратным темпом роста неустойчивости. Проанализировано формирование вихрей с конечными составляющими скоростей, нарастающих во времени. Радиальная структура азимутальной скорости определяется структурой начального возмущения и может изменяться с высотой. Максимальное вращение достигается на определенной высоте. Рост азимутальной скорости происходит по сверх экспоненциальному закону.

Список литературы

– Balme M., Greeley R. Dust devils on Earth and Mars // Rev. Geophys. 44, RG3003. 2006.
– 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.
– 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.
– Justice A.A. Seeing the Inside of a Tornado // Monthly Weather Review. V. 58(5). P. 205–206. 1930.
– 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.
– Ives R.L. Behavior of Dust Devils // Bull. Am. Meteorol. Soc. V. 28. P. 168–174. 1947.
– Larichev V.D., Reznik G.M. On two-dimensional solitary Rossby waves // Dokl. Akad. Nauk SSSR. V. 231. P. 1077–1079. 1976.
– Nalivkin D.V. Hurricanes. Storms, and Tornadoes // Geographic Characteristics and Geological Activity. Rotterdam: A.A. Balkema, 1983.
– Onishchenko O.G., Horton W., Pokhotelov O.A., Stenflo L. Dust devil generation // Phys. Scr. V. 89. 075606. 2014.
– Onishchenko O., Pokhotelov O., Horton W., Fedun V. Dust devil vortex generation from convective cells // Ann. Geophys. V. 33. P. 1343–1347. 2015.
– 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.
– 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.
– 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.
– 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
– 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.
– 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.
– Sinclair P.C. The Lower Structure of Dust Devils // J. Atmos. Sci. V. 30. P. 1599–1619. 1973.
– Stenflo L. Acoustic solitary vortices // Phys. Fluids. V. 30. P. 3297–3299. 1987.
– Stenflo L. Acoustic gravity vortices // Phys. Scr. V. 41. P. 641. 1990.
– 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.
– Tohidi A., Gollner M.J., Xiao H. Fire Whirls // Annu. Rev. Fluid Mech. V. 50. P. 187–213. 2018.