11.5. Прогнозирование опасных атмосферных явлений

Ураганы (тайфуны), бури (штормы), смерчи (торнадо), грозы – опасные метеорологические явления, характеризующиеся высокими скоростями ветра. Эти явления вызываются неравномерным распределением атмосферного давления на поверхности Земли и прохождением атмосферных фронтов, разделяющих воздушные массы с разными физическими свойствами. Они зарождаются вокруг мощных восходящих потоков теплого влажного воздуха (циклоны и тайфуны – над океанами), быстро вращаются против часовой стрелки в Северном полушарии и по часовой стрелке – в Южном, при этом смешиваются вместе с окружающей воздушной массой. Влажный воздух может конденсироваться и при этом выделяется тепло, которое питает ураганы энергией.

Важнейшими характеристиками ураганов, бурь (штормов) и др. опасных явлений, определяющими объемы возможных разрушений и потерь, являются скорость ветра, ширина зоны, охваченная этими явлениями, и продолжительность их действий. Фактором опасности является также интенсивные осадки.

Кинетическая энергия опасных атмосферных явлений громадна. В табл.11.23 приведены кинетические энергии некоторых атмосферных явлений.

Таблица 11.21. Энергия катастрофических атмосферных явлений

Опасные явления	Энергия, Дж
Пылевые смерчи Торнадо Шквалы Ураганы Циклоны	4∙107 4.1010 4∙1012 4∙1016 4.1017

Разрушительную способность ветра выражают условными баллами в зависимости от скорости ветра (Шкала Фьюджита):

Класс разрушений F	0	1	2	3	4	5
Скорость ветра V,м/с	18	33	50	70	93	117

Повреждения, соответствующие классам F: 0-слабые разрушения (повалены слабые деревья…); 1-средние разрушения (ураганная скорость ветра; сорваны крыши, деревья вырваны с корнем и др.); 2-значительные разрушения (разрушены слабые здания и сооружения); 3-серьезные разрушения (перевернуты поезда, разрушены дома и др.); 4-опустошительные разрушения; 5-катастрофические разрушения (дома сорваны с фундаментов, металлические конструкции сильно повреждены и др.).

Более подробные оценки разрушений содержат скорости ветра по шкале Бофорта.

17 балльная шкала скорости ветра: 0 баллов - Vв до 0,4 м/с – затишье, дым с труб идет прямо; 7 баллов - Vв > 14м/c – сильный ветер; 9 баллов –Vв > 20м/c – буря; 11 баллов – Vв > 28м/с – шторм; 12 баллов – Vв > 30м/с – ураган; 17 баллов – Vв > 250км/ч (Vв > 70м/с) – ураган (при скорости ветра 110 м/с практически все каменные дома разрушаются ; штормовой нагон воды выше 5,5м; интенсивные разрушения наводнением).

Энергия скорости ветра оценивается скоростным напором P_ск=ρv²/2, где

ρ- массовая плотность воздуха, кг/м³;v-скорость ветра, м/с.

Ураганы - обычно формируются в тропических районах земли, затем, следуя в северные и южные районы Земли, медленно рассеиваются. Ширина зоны действия урагана может достигать несколько тысяч километров, продолжительность действия ураганного ветра может изменяться от 9 до 12 суток. Скорость ветра, зарегистрированная при урагане, – 64м/c (около 230 км/ч). Ураганы сопровождаются ливнями, снегопадами, градами, возникновением снежных и пыльных бурь.

Торнадо (смерчи) – сильные вихри в виде воронок, спускающиеся от нижней границы облаков, размер торнадо не превышает 1,5км в диаметре (обычно =100м). Многие не достигают Земли. Наземный след может достигать 100 километров. Диапазон скоростей движений вихря относительно земли – 18-30м/с. В горизонтальном сечении торнадо представляет ядро, окруженное вихрем. Имеются точки всасывания, которые движутся вокруг ядра и способны приподнимать объекты массой до 13 тонн (при этом скорость может составлять 100 м/с). В пределах вихря имеются и нисходящие потоки, которые могут вдавливать в грунт отдельные предметы. Разница давления на внешней поверхности вихря и внутри его может составлять 8 кПа.

Торнадо (смерчи) не поддаются прогнозу, хотя многие атмосферные аномалии могут определяться заблаговременно по данным спутников, радиолакационной разведки и др. способами.

Грозы – наиболее распространенные атмосферные опасные явления. При грозе выпадает большое количество осадков, но наибольшую опасность представляют электрические разряды – молнии, от которых могут возникнуть пожары в лесах и зданиях, могут поражаться люди, разрушаться электротехнические устройства. Средняя продолжительность одного грозового цикла составляет порядка 30 мин, а электрический заряд каждой вспышки молнии соответствует 20 30 Кл и может образоваться на участке грозовой тучи радиусом до 2 км.

Основной отрицательный заряд расположен вблизи изотермы минус 5 С, а положительные заряды находятся на несколько километров выше и около нижней границы облака. Для оценки последствий от удара молнии важным является разряд между слоями атмосферы и землей. Предельное напряжение пробоя, вызывающее образование ионизированного канала, равно 3∙10⁶В/м. Лавинный заряд движется вниз ступеньками по 50 100 м, пока не достигнет Земли (ступенчатый лидер). На удалении от Земли молния «выбирает» какой-либо возвышающийся предмет. Обычно ступенчатый лидер переносит вниз отрицательный заряд. Он может переносить и положительный заряд. При этом время нарастания, а затем уменьшения тока более продолжительно, а значения заряда могут достигать 200 Кл и тока 218 _КА. Повреждения, наносимые молнией, обусловлены высоким напряжением, большой силой тока в канале движения и температурой, достигающей 40000 К. Особо опасны шаровые молнии.

Громоотвод притягивает приблизившегося ступенчатого лидера, образуя защитный конус с углом 90 ниже его верхушки. Ударное расстояние h для ударов молнии от головной части лидера к точке заземления представляют как функцию от высоты грозового облака H и величины заряда Q. Удар происходит, если напряженность поля между головой лидера и заземленной точкой превысит пробивное напряжение поля, равное в воздухе 3 кВ/см. Для практики важна зависимость h от силы тока i. При средней продолжительности заряда 100 мс сила тока i =2∙10⁴Q. На рис. 11.3. показана зависимость ударного расстояния h от различных разрядов i в зависимости от высоты H грозовой тучи [25. КН∙1].

Рис 11.3

Опасные атмосферные явления могут быть выявлены заблаговременно, за исключением различных вихрей (торнадо), что позволяет иметь некоторый запас по времени для принятия различных мер защиты населения и объектов, а также спрогнозировать возможные последствия от этих опасных явлений.

Пример 1. Получено штормовое предупреждение. Надвигается ураган. Ожидаемая скорость ветра 180 км/ч. Оценить устойчивость стекол в жилых и производственных помещениях.

Решение. Условие разрушения стекол:

P_ck P_{ck доп} , V_в V_доп ,

где P_ck=ρV²/2 – давление скоростного напора ветра при урагане, Па. Здесь: ρ – массовая плотность воздуха (ρ=1,225 кг/м³ при нормальных условиях); V – скорость ветра при урагане, м/с.

P_{ck доп} и V_доп – допустимые величины давления скоростного напора ветра и скорости ветра соответственно. P_{ck доп}=850 Па ( по данным СНиП), а

Скорость ветра V_в=180/3,6=50 м/с.

Давление скоростного напора ветра P_ck=1,225∙50²/2 =1531 Па 1,53 кПа.

Допустимая скорость ветра

Вывод. Условия разрушения стекол выполняются. Стекла разрушаются. Необходима их защита.

Пример 2. По условиям примера 1 оценить возможность смещения (угона) грузового вагона от воздействия на него ветра. Вагон: крытый цельнометаллический 4-осный; пустой; не закреплен; вес – 24,5 тс; длина по кузову (х) – 13,9 м, ширина(y) – 3,28 м, высота (z) – 4.7 м.

Решение. Вариант 1. Действие ветра перпендикулярно торцу вагона.

Условие смещения (угона вагона)

F_cм F_тр,

F_cм= С_хР_скS – смещающая сила ветра, приложена к центру давления обдуваемой площади (миделя). Здесь: С_х=0,85 – коэффициент аэродинамического сопротивления набегающему воздушному потоку (см. гл. 15 ); S=y∙z=3,28∙4.70=15,42 м² – площадь обдуваемой части вагона (площадь миделя); Р_ск=1,53 кПа, скоростной напор;

F_тр=f∙F_T – сила трения. Здесь: f=0,05 – коэффициент трения качения стального колеса по рельсу (см. гл. 15); F_T=mg=24500 кгс∙9,8 =240100 Н =240,1 кН – сила тяжести вагона. Приложена к центру тяжести.

Тогда: сила смещения F_cм=0,85∙1,53∙10³∙15,42 20,0 кН; сила трения F_тр=0,05∙240,1∙10³=12,0∙10³ Н=12 кН.

Вывод. Угон вагона возможен, т.к. условия смещения выполняются F_cм F_тр (20,0 12,0 кН). Необходимо вагон закрепить.

Вариант 2. Действие ветра под углом 45 к боковой поверхности вагона.

Решение. Проекция смещающей силы F_см на продольную ось вагона (ох) равна F_см^х= 0,707F_см=0,707 С_хР_скS= 0,707∙1,3∙1,53∙10³∙(13,9 4,7) =92,0 кН.

Сила трения F_тр=f∙F_T= 12,0 кН.

Или: площадь обдуваемого миделя вагона S=x∙z∙cos45 =13,9∙4,7∙0,707=46,2 м². Тогда F_см=1,3∙1,53∙10^3∙46,2 92,0 кН. F _тр=12,0 кН.

Вывод. Угон вагона возможен, т.к. Fcм Fтр (92,0 12,0 кН).

Пример 3. По условиям примера 1 оценить возможность опрокидывания вагона при условии, что боковая грань вагона перпендикулярна направлению ветра.

Решение. Условие опрокидывания вагона

М_опр М_ст,

где М_опр= Fcм∙z/2 – опрокидывающий момент, кН∙м. Здесь: F_cм= С_хР_скS = =1,3∙1,53∙10³∙(13,9 4,7) 130,0 кН – сила смещения (опрокидывания) вагона; z/2=4,7/2=2,35 м, плечо действия силы. М_опр=130,0∙2,35=305,5 кН∙м;

М_ст=F_T∙y/2 – стабилизирующий момент. Здесь: F_T=240,1 кН (см. пример 2); y/2=3,28/2=1,64 м – плечо действия силы тяжести.

М_ст=240,1∙1,64 393,8 кН∙м.

Вывод. Опрокидывание вагона не произойдет, т.к. Мопр Мст (305,5 393,8 кН∙м).