ВОДОВОРОТЫ
Воды Мирового океана редко бывают спокойными. Помимо бурь, штормов и волн гигантской разрушительной силы — цунами в океане существуют мощные горизонтальные течения, как поверхностные, так и подводные. Гольфстрим, например, переносит гигантское количество тёплой воды, обогревая западное и северное побережья Европы. Но нас сейчас интересует вертикальные течения, приводящие к возникновению в океане огромных водоворотов. Водный океан в этом смысле подобен океану воздушному — в нём есть свои циклоны и антициклоны. Как и в океане воздушном, появляются они вследствие вертикальных движений водных масс, обусловленных разностью плотностей воды, возникающей из-за разницы температур водных слоёв или их разной солёности. Такие вертикальные перемещения воды служат причиной появления гигантских водоворотов, называемых рингами. Причём эти водовороты имеют все те особенности, которые отличают водовороты воздушные, а именно — в Северном полушарии, в центре циклонических водоворотов, вращающихся против часовой стрелки, происходят подъём глубинных вод и их опускание на периферии водоворота. В Южном полушарии такое же вертикальное движение вод приводит к возникновению водоворота, вращающегося по часовой стрелке. В случае же опускания водных масс в центре водоворота в Северном полушарии возникает движение воды по часовой стрелке, а в Южном полушарии — против.
Обнаружены были ринги сравнительно недавно, в семидесятых годах прошлого века, и честь сделать это открытие в океанологии принадлежит нашим соотечественникам.
Океанические вихри могут существовать достаточно длительное время, исчисляемое месяцами и, по мнению некоторых учёных, годами. Их диаметры могут составлять десятки и даже сотни километров. Вне зависимости от того, в какую сторону, по часовой стрелке или против, вращается водный вихрь, поверхность его за счёт центробежной силы не будет горизонтальной, центр вихря при этом может лежать на десятки метров ниже уровня океана, что отмечает аппаратура, установленная на искусственных спутниках Земли.
Механизм образования рингов полностью идентичен механизму образования воздушных вихрей. Главными действующими объектами этого механизма являются магнитное поле Земли и движущиеся в нём молекулы воды, которые при своём перемещении в магнитном поле Земли приобретают вращательное движение. Ранее было показано, что коэффициент вихреобразования k зависит от агрегатного состояния дипольных молекул и для молекул в жидкости он меньше, чем для одиночных молекул. Однако его уменьшение в значительной мере компенсируется увеличением количества молекул воды в единице объёма. Если при образовании тайфуна в кубическом метре воздуха содержится 0,04 килограмма воды, то вес кубометра морской воды превышает 1000 килограммов, то есть в 25 000 раз больше. Кроме молекул воды свою лепту в образование ринга вносят ионы, находящиеся в морской воде. К слову сказать, в водах Мирового океана растворены практически все элементы таблицы Менделеева, но в ощутимых количествах находятся только ионы натрия и хлора, двух элементов, из которых состоит всем нам известная поваренная соль. Причём отрицательно заряженный ион хлора имеет массу 35 атомных единиц, а положительно заряженный ион натрия — массу 23 атомные единицы. Так же как и в молекуле воды, которая состоит из более массивной отрицательно заряженной гидроксильной группы ОН и менее массивного положительно заряженного иона водорода, у ионов натрия и хлора превосходство в массе имеет отрицательно заряженный элемент — ион хлора. Следовательно, суммарный момент количества движения ионов натрия и хлора, перемещающихся в магнитном поле Земли, отличен от нуля, и его знак совпадёт со знаком момента количества движения, приобретаемого молекулой воды при её движении в магнитном поле Земли. Значит, их присутствие в морской воде способствует возникновению вращательного движения вертикально перемещающейся массы воды.
Непосредственно наблюдать целиком гигантское океаническое образование — ринг — можно только с орбиты искусственного спутника Земли. Мониторинг океанических водоворотов осуществляют в ходе проведения экспедиций с помощью приборов, измеряющих скорости морских течений на интересующих учёных глубинах. Например, экспедиция «Полигон-70» разместила в южной части северного пассатного течения Атлантического океана около двухсот измерителей, данные с которых фиксировались в течение полугода. В дальнейшем всю эту информацию свели воедино и обработали на компьютере. Результаты обработки убедительно доказали наличие гигантского водного вихря с антициклоническим характером вращения.
Однако и в домашних условиях можно наблюдать возникновение ринга, правда, гораздо более скромных размеров. Речь идёт о пресловутом водовороте, который образуется в сливном отверстии ванны во время вытекания из неё воды. Предупреждаю сразу — не надо относиться к ванне легкомысленно. Она зарекомендовала себя с лучшей стороны как лаборатория для физических экспериментов ещё с античных времён!
Чтобы убедиться в наличии небольшого водоворота, образующегося в сливном отверстии ванны, вы можете поставить очень простой эксперимент, который практически не требует никаких затрат, но требует небольшой подготовки. Необходимо убедиться, чтобы сливное отверстие и канализационная труба, ведущая к коллектору, не были засорены и слив воды из ванны происходил быстро. Если вода из ванны вытекает медленно, любым способом прочистите слив. Желательно, чтобы отверстие в ванне располагалось симметрично, так, чтобы через его центр можно было провести вертикальную плоскость, разделяющую ванну на две зеркально-симметричные половинки. Теперь привяжите к пробке, которой закрывается сливное отверстие, верёвочку и закрепите её на стенке ванны. Заткнув пробкой сливное отверстие, наполните ванну водой, после чего дайте воде отстояться как минимум в течение суток. Такое длительное время необходимо, чтобы всякое движение воды прекратилось. После того как вода в ванне отстоится, очень осторожно потянув за верёвочку, выньте пробку и наблюдайте за процессом вытекания воды. В воду можно высыпать небольшие, размером несколько миллиметров, цветные бумажки — их движение лучше покажет направление вращения воды во время её слива через отверстие. Если вы живёте в Северном полушарии и сливная труба не имеет дефектов, способных существенно повлиять на ход эксперимента, вода станет вращаться по часовой стрелке.
Конечно, хочется провести этот эксперимент не только в Северном полушарии, в котором мы живём, но и в Южном, чтобы убедиться, что там вытекающая вода вращается против часовой стрелки. Но можно провести эксперимент, не покидая родного Северного полушария. Для этого цилиндрическую ёмкость с водой нужно поместить в искусственное магнитное поле, которое по абсолютной величине совпадает с магнитным полем Земли в месте проведения эксперимента в Северном полушарии, но противоположно ему по направлению.
Вращательное движение присуще не только воздушным и водным вихрям, не только планетам и планетным системам, но и целым галактикам, гигантским скоплениям звёзд. Размеры средней галактики таковы, что свету требуется почти сто тысяч лет, чтобы пересечь галактику по диаметру, и около двенадцати тысяч лет, чтобы пройти поперёк её центральной части, ядра. В такой галактике находится порядка ста миллиардов звёзд, то есть их количество больше, чем число людей на земном шаре. Особенно красиво выглядят спиральные галактики с яркими ветвями, закрученными в процессе вращения этого гигантского космического вихря: период обращения галактики составляет от десяти миллионов до миллиарда лет.
Аналогичную фотографию можно сделать самим, и даже без телескопа. Налейте в ванну воды (опять эта ванна!), добавьте немного мыльной пены и выньте пробку из сливного отверстия. Снимок водоворота из пены настолько похож на спиральную галактику, что различить их сможет только специалист.
Окружающий нас мир наполнен разнообразными вихрями. Вращаются молекулы воздуха, порождая не только пыльные завихрения на мостовой, но и смерчи, и торнадо, в океанах возникают ринги, а по Вселенной движутся непредставимые «звёздовороты», галактики, в одной из которых мы живём. Получается, что вихрь — едва ли не самое универсальное движение сплошной среды, будь то воздух, вода или даже сильно разреженный межзвёздный газ.
Физпрактикум
ИССЛЕДУЕМ ВОДОВОРОТЫ
Установка для эксперимента по обнаружению водоворота содержит ёмкость 1 с осесимметричным сливным отверстием, снабжённым патрубком 2 с задвижкой 3 на его конце. Кольца Гельмгольца 4 (пара катушек с током) расположены так, что их ось совпадает с направлением магнитного поля Земли в месте проведения эксперимента и компенсирует его. Ёмкость 1 заполняем водой и даём ей отстояться в течение суток. Сначала проводим эксперимент без тока в кольцах Гельмгольца. Осторожно открываем задвижку и наблюдаем за направлением вращения воды в сливном отверстии.
После этого наполняем водой ёмкость повторно, даём воде отстояться и включаем кольца Гельмгольца. Силу тока нужно подобрать так, чтобы магнитное поле колец в сумме с магнитным полем Земли по абсолютной величине равнялось магнитному полю в точке проведения эксперимента, но было направлено в противоположную сторону. Иными словами, за счёт изменения направления магнитного поля мы как бы переместимся из Северного полушария в Южное. При этом направление вращения воды в сливном отверстии должно поменяться на противоположное.
Эксперимент можно провести и несколько по-другому. Для этого будет достаточно магнитного поля Земли, но ёмкость необходимо подвесить на тонкой прочной нити 4.
Как и в первом случае, воде необходимо дать отстояться, а затем осторожно открыть задвижку. Если теперь при сливе воды из ёмкости в отверстии образуется воронка, то есть начнётся вращение воды в ёмкости, то возможны два варианта.
Если силы вязкого трения на стенках ёмкости велики, крутящаяся воронка вовлечёт во вращение и ёмкость. Она начнёт вращаться в ту же сторону, что и вода.
Если силы вязкого трения малы, ёмкость начнёт вращаться в сторону, противоположную вращению воды, что полностью согласуется с законом сохранения момента количества движения: противоположно направленные моменты воды и ёмкости в сумме дадут ноль, что соответствует неподвижному положению всей системы до эксперимента. Аналогичным образом фигуристка приобретает момент количества движения, отталкиваясь ото льда, при этом она начинает вращаться в одну сторону, а каток вместе со всем земным шаром — в другую. Но поскольку моменты инерции фигуристки и земного шара несопоставимы, Земля на вращение фигуристки никак не реагирует. В нашем же случае массы воды и ёмкости 1, в которой эта вода находится, сопоставимы, что приводит к их вращению в разные стороны.
