Кандидат физико-математических наук Валентин РАНЦЕВ-КАРТИНОВ, Российский научный центр "Курчатовский институт"

Человек тысячелетия живет рядом с водной стихией и стремится ее познать. Казалось бы, многое на этом пути уже сделано. Между тем автор данной статьи, анализируя предлагаемым им методом фотоизображения спокойного и волнующегося океана, полученные с разных высот, сделал удивительные открытия, лежащие буквально на поверхности.

Структура типа тележного колеса диаметром ~2 м хорошо видна на фотоснимке без специальной обработки.

Речь идет о методе многоуровневого динамического контрастирования, суть которого заключается в следующем: с помощью компьютерной программы на снимках "очищают" едва заметный силуэт изучаемого объекта от маскирующей его окружающей среды и "отбрасывают" ложные образы. Исследуя таким способом лабораторную, атмосферную, космическую плазму, мы обнаружили в ней долгоживущие связанные между собой многослойные трубчатые образования, названные универсальными каркасными структурами. Некоторые их свойства и топологию объясняет гипотеза, выдвинутая в 1998 г. кандидатом физико-математических наук Александром Кукушкиным (РНЦ "Курчатовский институт"). Он предложил принять в качестве их элементарных базовых блоков углеродные нанотрубки, открытые в начале 1990-х годов японским исследователем Иджимой - цилиндры из "лоскутов", плотно выложенных шестигранниками с атомами С в вершинах*.

С помощью вышеназванного метода аналогичные построения выявлены на фотографиях мощных грозо-

*См.: А. Б. Кукушкин, В. А. Ранцев-Картинов. Универсальные каркасные структуры: в лаборатории и... в космосе. - Наука в России. 2004, N 1; Б. Н. Колбасов и др. Новый наноматериал. - Наука в России, 2005, N 1 (прим. ред.).

Статьи данной рубрики отражают мнения авторов (прим. ред.)

стр. 41

Фрагмент изображения поверхности океана в центре урагана Каролина после обработки методом многоуровневого динамического контрастирования. Вверху отчетливо видно "тележное колесо" диаметром ~ 10 м- второй ярус над темной трубчатой структурой, выступающей вперед на несколько метров.

Слева четко прослеживается строение почти вертикально ориентированного "тележного колеса" - торца трубчатой структуры, уходящей к заднему плану под углом ~ 45. От центра вправо уходит другой идентичный блок.

вых облаков, торнадо, ураганов, смерчей, волнующейся поверхности океана. На изображениях последней заметны вертикально и горизонтально плавающие цилиндры (иногда вложенные друг в друга с соотношением соседних диаметров ~ 2), а также конструкции, напоминающие тележные колеса - их торцы или самостоятельные блоки. Они имеют прямолинейные радиальные связи-"спицы" и проявляют тенденцию к самоподобию, иначе говоря, генерации поколений (каждая фигура сложена из таких же, но меньшего размера, а те, в свою очередь, - из аналогичных еще более мелких и т.д.). Все эти блоки, связанные в единую сеть силами поверхностного натяжения, с усилением волнения воды укрупняются, а вертикально плавающие цилиндры иногда поднимаются над ней на высоту до 2 м благодаря частичному заполнению морской пеной.

Мы не случайно упомянули эти образования, названные скелетными структурами океана, в одном ряду с аномальными атмосферными явлениями. Согласно нашей модели их общий источник - соответствующая пылевая плазма. Так, анализ базы данных ураганов по Атлантике показал: формирование облаков, ответственных за их зарождение в данном регионе, связано с вулканической активностью и пылевыми бурями Африки*. Именно от ее западного побережья тропические "монстры" (что подтверждает карта их маршрутов за почти столетний период наблюдений) следуют к Мексиканскому заливу, где они особенно часты и разрушительны. Аналогичные исследования в Тихом океане указывают на Японию и Океанию как главных "поставщиков" в воздушную среду микропылевых частиц.

Некоторые составляющие подобных выбросов - так называемые структурообразующие: углеродные нанотрубки, микроскопические крупинки оксидов кремния, алюминия, солей металлов и пр. Под действием электрического поля Земли и атмосферного электричества они могут установить между собой токовую связь и, превращаясь в магнитные диполи (совокупности двух равных по величине зарядов противоположного знака), самопроизвольно выстроить каркас в виде сплошной сети. На него оседают микроскопические кристаллики льда и водяные капли - так образуется сильно заряженное (до 1 ГВ) облако. Его "скелет", обладающий большой проводимостью, способен сконцентрировать всю эту энергию в зоне пробоя**, формируя тем самым ураган или торнадо.

Но возможно и другое развитие событий. Облако теряет заряд и опускается в океан. Его микротвердотельный каркас подтапливается, но не тонет, поскольку интенсивно адсорбирует (т.е. поглощает) растворенные в жидкости газы. И подобных ему за многовековую историю океана накопилось множество. Во время штормов многие из этих структур под ударом стихии разламываются и образовавшиеся "осколки" набиваются во внутренние объемы уцелевших. Таким образом, в каждой их точке вещество присутствует в твердой, жидкой и газообразной фазах, следовательно, силы поверхностного натяжения действуют даже на некоторой глубине. Словно упругие резиновые жгуты, они стягивают заполненные остатками раздробленных элементов (и потому упрочненные) блоки, которые мягко и гибко, как в суставах скелета, сочленяются в единую сеть.

Рассмотрим часто возникающие на поверхности океана "тележные колеса". Они достаточно долго существуют без вращения (в отличие от вихрей); всегда имеют четко выраженные радиальные связи между

*См.: Е. И. Демин и др. Циклон над Сахарой. - Наука в России, 2003, N 4 (прим. ред.).

** Пробой - образование токового канала в разрядном промежутке облако-земля (прим. авт.).

стр. 42

"осью" и "ободом", нередко за его пределами вплетающиеся в более крупные образования; могут быть торцами горизонтально плавающих цилиндров и тогда находятся почти в вертикальном положении, достигая десятков метров в диаметре. Аналогичные, но на порядки крупнее, иногда видны на снимках, сделанных с высот космических орбит и траекторий метеорологических ракет.

Другая разновидность каркасных конструкций - древовидные со "стволом" наподобие моста, соединяющего два горба волны, и с уходящими вглубь "ветвями". Из фотоизображения несложно получить геометрические размеры, а затем определить прочностные характеристики всего построения, поскольку оно имеет плотность воды.

Наиболее распространенные из исследуемых структур - трубчатые. Они бывают многослойными, различной величины, с гладкой, сетчатой, плетеной боковой поверхностью, радиальными связями, "тележными колесами" на торцах, при слабом волнении океана плавают горизонтально (хотя в вертикальном положении более устойчивы - центр тяжести всей конструкции находится глубоко под водой). Иногда наружная часть цилиндра подтоплена или только слегка выступает над поверхностью, а центральная, меньшего диаметра, торчит, как рыболовный поплавок.

Анализ фотоснимков, сделанных с высоты птичьего полета, т.е. порядка 100 м, при 5 - 7-метровых волнах показал: низовой ветер оголяет, а вспененная вода подсвечивает (благодаря усиленному отражению света пузырьками воздуха) особенности строения каркасных конструкций. Резкое же перемещение в неспокойном океане визуализирует траектории их движения. Вот почему исследовать интересующие нас объекты удобнее именно в штормовую погоду.

Наблюдение приводит к выводу: многие вертикально плавающие цилиндры, выходящие на поверхность в десятках метров друг от друга, - торцы U-образной структуры (ее средняя часть может быть на глубине 50 - 100 м), иными словами, сообщающиеся сосуды. Поэтому, когда волна накрывает один из них, другой взмывает вверх и выбрасывает столб воды. Динамический эффект такой струи достаточно велик: она способна, скажем, поднять серфингиста на довольно большую высоту, где он зависнет, как шарик пинг-понга в фонтане. Но гидродинамическое давление в ней быстро спадает, и спортсмен проваливается в пучину, так и не поняв, что с ним произошло.

Изучение фотоизображений нашим методом нередко позволяет выявить каркасную структуру самих волн (тело, сформированное из трубок, в их торцах - "тележные колеса" с четко выраженными спицами), а у омывающих пологий берег - далеко выбегающие "языки". Передняя часть последних имеет довольно сложное строение, однако в нем угадываются трубчатые образования, расположенные вокруг несколько выступающего "стержня". Гребень же волны - часто не что иное, как горизонтально плавающий цилиндр, через боковую поверхность которого перебрасывается вода. Порой в ее потоке тоже есть подобные образования, но перпендикулярные указанному. Сталкиваясь с

Фрагмент изображения поверхности океана, полученного во время шторма с верхней точки траектории метеорологической высотной ракеты. Видна структура типа тележного колеса диаметром 600 км, выявленная в результате обработки изображения.

После обработки на изображении удалось увидеть протяженную почти прямолинейную древовидную конструкцию, "ветви" которой уходят вглубь и соединяют, наподобие выпуклого моста, два горба волны. Просматриваются их соединения с элементами более крупной структуры.

В центре просматривается возвышение уровня воды диаметром ~ 40 см. В нем имеется углубление, из которого вертикально торчит, как рыболовный поплавок, цилиндрический стержень диаметром -6 см, а из него - более миниатюрный диаметром ~ 1 см.

стр. 43

Горизонтально плавающий многослойный цилиндр, наружная оболочка которого (диаметром ~3 м) разорвана по горизонтали. Видны некоторые детали его внутренней структуры: остатки радиальных связей между слоями, оболочками, сетевая структура поверхности внутреннего цилиндра.

Фрагмент изображения гребня штормовой волны, представляющего собой многослойный цилиндр диаметром - 10 м. Перпендикулярно через него перебрасываются подобные, частично разрушающие его внешнюю оболочку, обнажая внутреннюю структуру и нависая над ниспадающей частью гребня почти горизонтально. Видно, что в местах удара их торцов внешняя оболочка цилиндра-гребня разрушена.

Появление "языка" в опрокидывающейся волне при ее набеге на пологий берег.

ним, они разрывают его оболочку и вскрывают внутреннюю структуру. А при ударе нижней частью торца о крутой берег такие цилиндры порой разрушаются, приобретая вид расколовшихся толстостенных чугунных труб.

После прекращения шторма одни из наблюдаемых конструкций погружаются в воду, другие - нет. Их части, оказавшиеся над водой, высыхают, теряют связующие жидкие пленки и рассыпаются. Получившиеся фрагменты, в свою очередь, тоже подтапливаются или остаются на поверхности - в зависимости от индивидуальной плавучести. Кстати, в штилевую погоду из космоса хорошо просматриваются следы маршрутов кораблей иногда протяженностью до 1500 км. Дело в том, что их винты разрушают однородность скелетной структуры океана (что сказывается на отражательной способности его поверхности в этом месте), а восстановление ее требует некоторого времени.

Теперь рассмотрим с позиций предлагаемой гипотезы водяной смерч. Его нередко именуют торнадо над большой водой, однако время жизни первого - всего 15 - 30 мин, он значительно уступает второму в размере и скорости развития, в высоту достигает 0,1 - 1 км. Ветер при смерче не всегда ураганный, волнения моря иногда почти нет. Начинается это природное явление со светящегося пятна диаметром 10 - 20 м на поверхности воды, окруженного втрое большим темным. Затем снаружи всего образования появляются четко выраженные "усы", закручивающиеся по спирали, после чего постепенно нарастает общее вращение. Вскоре вокруг возникает кольцо из мелких капель и пара - формируется так называемая колонна смерча. Спираль резко сжимается по радиусу, и из "материнского" облака вытягивается "палец" - кульминация процесса. С этого момента движение замедляется, колонна наклоняется, вытягивается по горизонтали и разваливается.

Согласно разработанной автором капиллярно-капельной электростатической модели для возникновения водяного смерча необходимо совпадение по времени и месту, точнее траектории движения, сильно заряженного (до 10 В) облака высотой ~ 1 км и вертикально плавающего цилиндра, заполненного капиллярами (предположительно собранными из углеродных нанотрубок). Вдоль их стенок начинает подниматься (под действием сил поверхностного натяжения и созданного облаком электрического поля) тончайшая пленка влаги. Достигнув верхних торцов, она формирует мельчайшие капли с зарядом несколько электронов, которые устремляются ввысь, разгоняются до некоторой скорости и далее движутся равномерно, образуя аэрозольную колонну.

Электрическое поле вытягивает из воды капилляры на высоту до 2 м. Именно здесь находится "пьедестал" смерча, где от них отрываются капли, поскольку жидкость до предела растянута своим весом; возникают высокочастотные колебания, ионизирующие и возбуждающие молекулы воды и газа, что объясняет упомянутое выше свечение. Затем колонна по мере снижения собственного статического давления начинает всей поверхностью засасывать близлежащие массы

стр. 44

воздуха (т.е. слабоионизованной плазмы). В результате они приходят в радиальное движение, что в присутствии вертикальной составляющей магнитного поля Земли приводит к появлению вращательного момента, ответственного за раскручивание колонны и ее ближайшего газового окружения.

Наконец на периферии колонны образуется тонкая пленка из морской воды, как известно, обладающей достаточно высокой электропроводностью. Поэтому облако быстро разряжается, что означает "апофеоз" и начало деградации грозного природного явления, по энергетике близкого к тактическому ядерному взрыву. Действительно, за время своего существования оно способно совершить работу 10 ГДж, достаточную для разгона воздуха объемом 0,5 км до скорости 150 м/с.

Мы вывели и решили уравнения, качественно описывающие кинетику рассмотренного процесса, определили характерные времена его стадий, скорость газов и аэрозольных частиц, их среднюю плотность в колонне и т.д. Думается, изложенная гипотеза поможет объяснить многое из того, что пока остается неясным, и описать предположительный сценарий перехода этого вихря в классический торнадо. А если пойти дальше, в перспективе можно попытаться применить подобную модель и к самым мощным тропическим ураганам.

Знание основных условий формирования и механизмов водяного смерча указывает путь к его прогнозированию и предотвращению. Например, целесообразно наладить соответствующий мониторинг районов, где чаще всего встречаются такие явления, и небольшим взрывом уничтожить вертикально плавающий цилиндр, обнаруженный в зоне траектории грозового облака. А в будущем почему бы не привлечь этот экологически чистый геофизический источник энергии на службу человеку?

Подводя итог, оценим последствия внесения в океан столь активных в физическом и химическом отношении каркасных образований с очень большой удельной площадью поверхности на единицу объема воды (~ 5 · 10³ см /см³). Их прочность может достигать значительной величины, вплоть до 0,6 кг/см². Если, например, длина подобного блока ~ 100 м, диаметр ~ 30 м, то вес составит -3 ·10⁵ т, что в десятки раз выше водоизмещения крупных океанских кораблей. Поэтому во время шторма такие структуры серьезно угрожают безопасности судоходства, по крайней мере там, где появляются особенно часто. Наверное, именно по этой причине некоторые места у южных берегов Африки моряки обходят стороной.

Вместе с тем усиленная генерация мелкодисперсной заряженной аэрозоли, способствующая формированию ураганов и водяных смерчей, интенсифицирует химические и биологические процессы в океане. Дело в том, что на поверхности рассматриваемых конструкций оседают микроскопические растения, бактерии, фитопланктон, получающие там адсорбированный из воды растворенный кислород и углекислый газ, необходимые для биосинтеза. Можно сказать, объекты нашего исследования - мощные биохимические и физические реакторы, "легкие" планеты, и потому в них

На переднем плане - остаток торца горизонтально плавающего цилиндра диаметром ~7 м, разрушающегося при ударе набегающей штормовой волны на берег.

Трубчатая структура диаметром ~6 м с радиальными связями в торце. Центральная ее часть - выдвинутая вперед на 4 м аналогичная структура диаметром ~2 м с множественными (~ 12) тонкими радиальными спицами и центральным осевым диском диаметром ~0,7 м, из которого выступает вперед цилиндр диаметром ~0,3 м.

нельзя не видеть продовольственную базу для производства белка и углеводов. Причем напомним: они имеют общую микропылевую скелетную структуру, а значит, могут рассматриваться как единый организм (наподобие грибного мицелия) с зачатками социальных функций. Словом, Океан - живой и требует к себе соответствующего отношения!

Публикатор:

Постоянная ссылка для научных работ (для цитирования):

Комментарии: