Lốc xoáy là một trong những hiện tượng khí quyển nguy hiểm nhất mà con người biết đến. Nó là một cột xoáy dữ dội (cột quay) của không khi kết nối nền của đám mây tích mưa và mặt đất. Một đặc điểm khác biệt của cơn lốc xoáy là lõi giống như phễu hay phễu ngưng tụ (Vùng II) được tạo thành từ những giọt nước nhỏ ngưng tụ khi chúng bị hút vào lỗi như trong Hình 1(b). Vùng này được xác định bởi bán kính lõi ro(z) thường tăng theo độ cao tạo thành hình phễu đặc trưng của cơn lốc xoáy. Vùng 1 là khu vực nằm ngoài lõi lốc xoáy. Vùng I và II có hình dạng, phân bổ vận tốc khác nhau vì vậy chúng ta sẽ khám phá sau trong các phần của bài.

Sử dụng một mô hình đơn giản như thể hiện trong Hình 1 (b) và một vài định luật cơ bản, chúng ta sẽ cố gắng ước tỉnh tốc độ quay của lốc xoáy, tính toán áp suất và nhiệt độ bên trong cơn lốc xoáy và thú vị nhất là rút ra phương trình cho hình dạng của một cơn lốc xoáy Te(2).

Phần 1. Thời tiết bình thường

Chúng ta sẽ nghiên cứu áp suất khí quyển của tầng đối lưu (phần thấp nhất của khí quyển) nơi xảy ra hầu hết các hiện tượng thời tiết bao gồm lốc xoáy. Chúng ta hãy bắt đầu từ một vị trí thời tiết yên tĩnh tại điểm A cách xa cơn lốc xoáy. Tại điểm A, áp suất là Po và nhiệt độ To (xem như là hằng số và dữ liệu).

1. Giả sử khí trong môi trường đang xét là khí lí tưởng. Nhiệt độ và áp suất của khí không thay đổi theo độ cao. Tìm công thức mô tả hàm áp suất theo độ cao P(z).

2. Bây giờ chúng ta xem xét trường hợp trong đó mật độ không khí, Pair là không đổi. Tìm áp suất như một hàm của độ cao P(z) biết rằng hảm nhiệt độ T giảm theo độ cao z với tốc độ tuyển tỉnh b.

3. Dựa vào ý 2 tim áp suất tại điểm cách mặt đất 1km.

Phần 2. Hình dạng của một cơn lốc xoáy

Bên trong lõi của cơn lốc xoáy, hơi nước ngưng tụ thành những giọt chất lỏng khi không khi xoắn ốc vào lõi, tạo thành phễu ngưng tụ. Hơi nước ngưng tụ khi nhiệt độ giảm xuống dưới điểm nhất định gọi là điểm sương. Sự giảm nhiệt độ này là do giảm áp suất. Do đó, khu vực nơi hơi nước bắt đầu ngưng tụ đánh dấu một ranh giới có áp suất bằng nhau được gọi là lớp ranh giới isobar trải dài từ đáy của đám mây tích lũy xuống đáy lốc xoáy (được hiển thị dưới dạng ranh giới màu đỏ trong Hình 2). Đây là ranh giới giữa khu vực I và II.

Bây giờ chỉ xem xét khu vực I. Xem xét một điểm tham chiếu G (Hình 2) rất gần mặt đất (z = 0) nằm ở bản kỉnh ra. Tốc độ và có thể được coi là tốc độ quay mặt đất của cơn lốc xoáy.

Chúng ta giả thiết thêm: (i) Lốc xoáy đứng yên (chỉ có vòng quay và không có sự dịch chuyển); (ii) Vận tốc hướng tâm gió không đáng kể. Vận tốc v chỉ là tiếp tuyến (dọc theo đường tròn), không xuyên tâm. (iii) Vận tốc gió v độc lập với độ cao z, nó chỉ phụ thuộc vào vị trí hướng tâm r. (iv) Chúng ta bỏ qua nhiều loạn rất gần mặt đất. (v) Chúng ta giả sử mật độ khối không khí (Pair) là hằng số.

1. Chỉ ra rằng trong cả hai khu vực 1 và II dọc theo r:

2. Trong vùng 1 tỉnh vận tốc giỏ tiếp tuyến v là một hàm của r và theo vẽ và ra (vận tốc và bán kính tại ranh giới lõi) ở độ cao (z).

3. Ước tính tốc độ không khí và tại đây lốc xoáy.

4. Lấy hình dạng của phễu ngưng tụ hoặc lõi lốc xoáy, tức là hàm (z), biểu diễn chúng dưới dạng và và kỹ và độ cao z. Về hoặc phác thảo hình dạng lốc xoáy này với các tham số không thử nguyên z/ h so với r/r, trong đó h là chiều cao được xác định trong Hình 2.

5. Hầu hết các cơn lốc xoáy trông giống như phễu (bản kính lớn hơn ở độ cao lớn hơn) trong khi một số có đường kinh đồng đều hơn như một đường ống. Với mọi thứ giống nhau, theo em cái nào có tốc độ quay mặt đất cao hơn.

Phần 3. Phần lõi của cơn lốc xoáy

Bây giờ ta sẽ tỉnh toàn áp suất ở trung tâm của lốc xoáy bằng cách xem xét cả khu vực I và II.

1. Trong vùng II (r < r) lõi lốc xoáy hoạt động như một vật thể cứng, suy ra biểu thức cho tốc độ v(r) trong khu vực này. Vẽ đồ thị vận tốc từ r = 0 đến vô cực.

2. Tính áp suất tại trung tâm của cơn lốc xoáy (điểm C, ở cùng độ cao với điểm G). Sử dụng và từ phần 2 (c).

3. Ước tính nhiệt độ tại trung tâm của cơn lốc xoáy (điểm C). 4. Dựa trên phát hiện của bạn trong ý 3 hãy chỉ ra nguồn năng lượng chính cung cấp cho cơn lốc xoáy.

Phần 4. Chúng ta nên đóng cửa hay mở trong cơn lốc?

Áp suất chênh lệch gần một cơn lốc xoáy được cho là khiến những ngôi nhà thông gió kém “phát nổ” mặc dù cơn lốc xoáy chỉ đi qua ở khoảng cách xa. Do đó, một số người cho rằng các cửa sổ phải được mở để thông hơi hoặc để áp lực trong nhà cân bằng với bên ngoài một cách nhanh chóng. Tuy nhiên, việc mở cửa sổ sẽ có nguy cơ gây thiệt hại nhiều hơn do các mảnh vỡ và đạn xâm nhập vào nhà.

Hãy xem xét một ngôi nhà có tất cả các cửa số và khe hở được đóng bằng mái bằng có kích thước (rộng x dài x dày) 15 m x 15m x 0,1 m và mật độ khối lượng p = 800 kg/m3. Lốc xoáy đang đến nhanh và đi qua ở khoảng cách d = 2 r_G cách nhà.

1. Tỷ lệ lực nâng trên mái nhà so với trọng lượng của nó là bao nhiêu?

2. Bạn sẽ mở hay đóng cửa sổ?