Dinamika tornado: wortonice, helicity i odpadki

Wortonica, a nie burza wiatrów

Tornado jest kolumną powietrza obrotującym się od podstawy burzy chmurnej do ziemi, a jego charakterystyczną fizykę tworzą dinamiki wortonicy: płyn obrótający się wokół osi centralnej z minimum ciśnienia na jądrze. Ciśnienie powietrza drastycznie spada w centrum, ponieważ obrotowy przepływ potrzebuje siły centripetyzującej, aby kontynuować obrót ku centrum, a ta siła pochodzi z gradientu ciśnienia radialnego — niższe ciśnienie w centrum, wyższe na krawędzi — co jest powodem dla niskiego ciśnienia w jądrze tornado, porównywalnego z otaczającym powietrzem. To prowadzi do drastycznej różnicy ciśnienia w jądrze tornado, która może przyczynić się do dodatkowego obciążenia wiatrowego dla struktur.

Z gdzie wyrastają obrotowe ruchy: niszczenie poziomego kierunku

Większość burz superkellularnych tworzących tornady otrzymuje początkowy obrot z powodu shearu wiatrowego: zmiana prędkości lub kierunku wiatru z zwiększaniem się wysokości tworzy poziomą, obracającą się puzdro powietrza, podobne do pineta do rozmachowania leżacego na boku. Silny podmuch burzowy w stormie niszczy to poziome puzdro, ustawiając je pionowo i konwertując obrot poziomy na pionowy. Następnie rozciąga to puzdro — a zgodnie z zachowaniem chwilowego momentu obrotowego, puzdro obracające się i rozciągane skraca się proporcjonalnie szybciej, taki sam efekt jak u skoczka lodowca przyciągającego ramiona. Mechanizm niszczenia i rozciągnięcia jest powodem, dla którego szeroka i wolna rotacja mesocyklonu superkellularnego koncentruje się w znacznie mniejszej, szybszej rotacji tornad.

conservation of angular momentum (simplified, inviscid):
  L = m * v_tangential * r  =  constant
  column stretches => r decreases => v_tangential increases sharply

Profil prędkości wortonicy: gęsty jądro, wolny wortonik poza nim

Prędkość wiatru tangencjalnego rzeczywistego tornado nie wzrasta do centrum wprost — zazwyczaj follows profil kombinowany Rankina: wewnątrz promienia jądra r_c przepływ obraca się prawie jak ciało sólne (prędkość rosnąca liniowo ze stopnia, jak dysk obracający), podczas gdy poza r_c zachowuje się jak idealny wolny wortonik, gdzie prędkość maleje jako 1/r. Maksymalna prędkość wiatru występuje dokładnie na granicy r_c — brzegu między dwoma systemami — co jest powodem koncentracji najbardziej distructivej wiatrów w rzeczywistym tornado w stosunkowo cienkim anuluszku, a nie rozłożonych równomiernie po całym zwole.

v(r) = Omega * r,         r <= r_c    // solid-body core, linear growth
v(r) = Omega * r_c^2 / r, r >  r_c    // free vortex outside, falls off as 1/r
                                       // maximum speed at r = r_c

Cząsteczki jako ślad: dlaczego dźwignia jest widoczna w ogóle

Dźwignia widoczna w tornado nie jest sam vortex — powietrze jest przezroczyste — to zawiesiny wodnej masy (wynikającej z ochłodzenia powietrza podniesionego poniżej punktu rozmazania ze spadkiem ciśnienia) plus dowolne pyłki i odpadki, które są podnoszone przez powierzchniowe wiatry po helickowych ścieżkach. Na tej stronie cząsteczki są nasionowane ciągle i dają się nadać prędkość, która łączy obrotowy profil Rankina z wznoszącym się i lekko zewnetrznie przemieszczającym się przepływem, tak że każda cząsteczka śledzi helikoidę zamiast płaskiego koła — widocznie powtarzając typowy wzór dźwigni i chmury odpadków bez bezpośredniej symulacji pola ciśnienia cieczy. Parametry modyfikujące intensywność i szerokość pozwalają na skalowanie Ω i r_c odpowiednio, a przemieszczanie się z powiatu dodaje uniformne przesunięcie na górę, tak że cały vortex można przenieść po scenie podczas gdy nadal obraca się wewnątrz.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Tornado — Vortex Simulation i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.