Смерчи и торнадо

Классификация торнадо

Торнадо, появившиеся в результате сильных гроз, - глобальное явление, но в основном происходят в континентальных зонах средних широт, где холодные северные ветра, сталкиваются с теплыми тропическими.

Торнадо широко распространены на среднем западе США. В Австралии ежегодно фиксируют более 20 случаев торнадо. Однако, эта цифра, возможно, сильно занижена, поскольку множество бурь случается в незаселенных районах, а поскольку торнадо- явление локального характера, люди просто не в состоянии их зафиксировать.

Торнадо классифицируются по шкале F0-F5 (шкала Теодора Фьюджита, исследователя бурь, университет Чикаго), в зависимости от скорости ветра и его разрушительной силы. Оценка F0 соответствует скорости ветра, не ниже 64км/ч и не превышающей 117 км/ч.

Наиболее разрушительны ветры категории F5, скорость которых достигает 418 км/ч. Очень сильные торнадо довольно редки, но все же Австралии было зафиксировано несколько случаев.

Например, торнадо, образовавшиеся в ноябре 1989, силу одного из них оценивался как F3 (возможно F4) . Любопытно, что австралийские торнадо часто оцениваются средствами массовой информации, как мини-торнадо или мини-циклоны. Не смотря на это торнадо – редчайшее природное явление, локализованного характера, и как правило очень недолговечное.

Форма смерчей может быть многообразной – колонна, конус, бокал, бочка, бичеподобная веревка, песочные часы, рога «дьявола» и т.п., но чаще всего смерчи имеют форму вращающегося хобота, трубы или воронки, свисающей из материнского облака (отсюда и их названия: tromb- по французски труба и tornado – по испански вращающийся).

Торнадо – одно из самых загадочных явлений природы. Ни причины образования торнадо, ни огромная всесокрушающая их энергия не нашли до сих пор удовлетворительного объяснения.

«….из громадной чёрной грозовой тучи начинает спускаться вращающаяся воронка. Она то снижается, то вновь втягивается обратно в тучу. Вдруг навстречу ей с земли поднимается вихрь пыли. Два вихря соединяются, и вот уже видна быстро вращающаяся причудливо изогнутая колонна, поднимающая с поверхности земли пыль, песок, мусор. Сначала слабый, смерч затем крепнет, набирает силу и движется, сметая всё на своём пути. Разрушенные города и сёла, сброшенные и искорёженные стальные фермы мостов, поднятые ввысь и переброшенные за много километров животные и люди, выкачанные вместе со всей живностью водоёмы. Многочисленные жертвы и убытки..»

По характеру охвата территории выделяют змееобразные и воронкообразные торнадо. Змееобразные имею небольшую ширину (обычно несколько метров). Воронкообразные в ширину достигают 100 метров. Наибольшая ширина характерна размытым торнадо, от 100 -а метров до 1 километра.

Наиболее многочисленны хоботообразные, колонноподобные и воронкообразные торнадо. Существуют также змееподобные смерчи, отличающиеся наиболее горизонтальным положением. Смерчи бывают пылевые и огненно-дымовые. Но наиболее разрушительны низкие широкие торнадо с нерезкими, расплывчатыми очертаниями. Нередко они имеют чёрный цвет.

Каждый год в США отмечается в среднем до 1000 торнадо, при которых в среднем погибает около 80 человек, а 1500 получают ранения. Торнадо в этой стране могут возникать где угодно и в любое время года. В южных штатах пик этих разрушительных явлений приходится на период с марта по май. В северных штатах пик приходится лишь на летние месяцы. Торнадо могут появляться на начальной стадии быстро развивающихся гроз, которые возникают в тёплой и влажной воздушной массе при вторжении холодных атмосферных фронтор, движущихся в США с запада на восток. Такие грозы, обычно возникающие в послеполуденные часы, часто сопровождаются градом, штормовым ветром и торнадо.

Зимой и ранней весной торнадо формируются на мощных атмосферных фронтах, образующихся над центральными штатами, где в это время года проходит граница между тёплыми и сухими воздушными массами на востоке и наиболее прохладными и влажными – на западе. Образовавшиеся в таких неустойчивых атмосферных условиях фронты начинают смещаться на восток. При этом наблюдается наибольшее число торнадо, которые приносят разрушения сразу в несколько штатов.

Торнадо могут сочетаться с мощными тропическими циклонами. Только 2 процента из всех торнадо являются разрушительными, 69 процентов приходится на слабые торнадо, остальные – на считающиеся сильными. Время существования разрушительных торнадо может достигать 1 часа, тогда как для остальных двух типов оно составляет 1-10 минут и 20 минут соответственно. Признаками приближения торнадо могут быть тёмно-серые свинцовые стены облаков, крупный град и звук, схожий со звуком приближающегося поезда.

Тайна хобота торнадо

Помимо загадочности своего происхождения, торнадо имеет ещё одну интригующую тайну: его “хобот” иногда способен втянуть в себя и поднять в небеса целое озеро воды. Многие думают, что эта способность обусловлена тем, что внутри хобота давление ниже, чем атмосферное.

Однако высота водяного столба, соответствующая перепаду давлений в одну атмосферу, составляет около десяти метров. Даже если внутри хобота был бы сверхвысокий вакуум, перепад давлений не поднял бы воду на высоту, большую, чем эта высота водяного столба. Тем не менее, торнадо поднимает воду на километр и выше.

Специалисты полагают, что всё дело в мощных восходящих потоках внутри хобота. Но эта гипотеза тоже не выдерживает критики. Хобот, достигнув земной поверхности, не засасывает окружающий воздух, а лишь закручивает его вокруг себя; откуда же взяться восходящим потокам внутри него?

Как показывают наблюдения, благоприятная ситуация для образования торнадо возникает тогда, когда холодное грозовое облако оказывается в тёплом сухом воздухе. При этом нередко бывает, что, ещё до зарождения хобота торнадо, само облако начинает вращаться в циклоническом направлении. Это позволяет предположить, что механизм закручивания воздуха здесь в общих чертах совпадает с вышеописанным механизмом, работающим при рождении циклона.

Специфика же заключается в том, что радиальные градиенты давления и температуры возникают в компактной области и имеют значения, на много порядков большие, чем в случае циклона. Холодный и насыщенный влагой воздух опускается из грозового облака и оказывается в условиях, при которых происходит интенсивное испарение капелек воды.

Это приводит к быстрому понижению температуры в области интенсивного испарения. Так и прокладывает себе путь вниз канал пониженного давления, вокруг которого закручивается вихрь. В установившемся режиме у этого вихря имеется изменяющийся с высотой равновесный радиус, на котором центростремительные силы уравновешиваются центробежными. Поэтому название “хобот” здесь очень удачно: торнадо представляет собой, фактически, вращающуюся трубу из сильно уплотнённого воздуха.

Движение торнадо

Быстрое вращательное движение воздуха (до 100 м/сек и более) в виде вихря-воронки диаметром до 200м и более создаёт за счёт центробежных сил разрежение воздуха внутри этой воронки. Это обеспечивает всасывание больших объёмов воздуха в отдалении от зоны конденсации и на всём протяжении воронки с ориентацией к земной поверхности, где плотность воздуха выше.

Вихрь торнадо ещё можно представить в виде длинного цилиндрического сита, в котором необходимый поток воздуха обеспечивается большой площадью всасывания.

Спиральное движение торнадо

В результате уменьшения температуры, которым сопровождается закручивание воздушных масс при торнадо, ещё больше падает давление в “барической долине” и, соответственно, увеличиваются центральные силы барических градиентов.

Это приводит к ещё более эффективному закручиванию, т.е. включается режим саморазгона циклона. Саморазгон притормаживается благодаря тому, что, по мере роста линейных скоростей закручивающихся воздушных струй, всё большую роль начинают играть центробежные силы и силы турбулентного трения.

В стационарном режиме, когда для каждого элемента движущихся воздушных масс центробежная сила уравновешивает векторную сумму сил барического градиента и турбулентного трения, траектории воздушных потоков представляют собой, вообще говоря, сходящиеся к центру спирали.

Достигнут ли эти спирали центра циклона, или нет – определяется параметрами исходной “барической долины” и метеопараметрами воздушных масс. Для тропического циклона типична ситуация, при которой скорость тёплых влажных струй, по мере приближения к центру, успевает возрасти настолько, что центробежные силы не позволяют им проникнуть внутрь некоторого равновесного радиуса, обычно составляющего несколько десятков километров.

Так и возникает удивительный феномен: кольцевой ураган, со сплошной грозовой облачностью и ливневыми осадками, который бушует по периметру круглой безоблачной зоны полного штиля, называемой “глазом” циклона.

Энергия воронки торнадо

Круговое движение воздуха в стенках воронки и поступательное вверх внутри воронки - в обоих случаях ламинарное (слоистое, струйное течение), иначе оно не достигло бы таких больших скоростей. Например, в верхних слоях атмосферы наблюдаются крупномасштабные струйные течения, достигающие 100 м/сек, связанные с градиентом температуры и давления на границе дня и ночи.

Турбулентность в вихре-воронке возникает на границе разнонаправленных ламинарных потоков и усиливается ещё и тем, что воздух из быстро вращающихся стенок поступает вовнутрь и сталкивается с направленными вверх потоками, которые тоже движутся по спирали, но с гораздо меньшей радиальной скоростью.

Вращающаяся воронка действует как сепаратор, отделяя лёгкий (внутренний) воздух от тяжёлого (внешнего). Воздух, движущийся в стенках воронки, имеет промежуточную плотность.

Кинетическая энергия вихревых потоков возникает за счёт кинетической энергии движущегося вверх воздуха внутри торнадо. Передача энергии происходит в момент поступления вовнутрь новой порции воздуха.

Скорость движения торнадо

Торнадо не обязательно двигается по земной поверхности: оно может быстро приподниматься над ней и снова опускаться, т. е. без видимой причины „перескакивать" через некоторые районы. Оно может описывать криволинейные траектории. Движением торнадо управляют восходящие движения и конвективные токи, подводящие энергию к нему. Скорость ветра в торнадо порой превышает 400 км/ч. Эти-то огромные скорости ветра, а также сильные перепады давления и разрушают наземные объекты. Сила, с которой ветер в торнадо действует на препятствия, достигает нескольких десятков килограммов на каждый квадратный метр. Давление же в глазу торнадо может быть весьма низким; так, когда торнадо проходит над населенным пунктом, давление изнутри зданий может выдавить их стены наружу. Сильнейшие восходящие потоки легко поднимают в воздух различные предметы и переносят их на расстояние нескольких сотен метров. Хотя и не всегда, но нередко перед торнадо или же за ним выпадают сильные осадки. Бывает, что торнадо приближается и уходит без всяких предупредительных признаков.

В связи с ограниченными размерами и огромной скоростью движения торнадо в каждом отдельном пункте в среднем продолжается не более одной минуты. Однако скорость торнадо и продолжительность его действия могут колебаться в очень широких пределах. Торнадо может пройти путь длиной от нескольких сотен метров до сотен километров.

Вращение вихрей при торнадо

В ортодоксальной физике до сих пор отсутствует ясное понимание как механизмов рождения торнадо, так и присущих им свойств, например, “глаза” тропического циклона или “подъёмной силы” торнадо.

Традиционный подход к атмосферным вихрям основан на том факте, что в северном полушарии циклон закручивается против часовой стрелки, а в южном – по часовой стрелке. Делается вывод, что важную роль при образовании атмосферных вихрей играет глобальное вращение атмосферы вместе с Землёй. Глобальное вращение, как считается, влияет на динамику локальных процессов через силы Кориолиса. Поэтому сила Кориолиса непременно учитывается в балансе сил, действующих на элементы движущихся воздушных масс. Отсюда, на наш взгляд, и проистекают главные затруднения в теориях атмосферных вихрей.

Что касается обычного циклона умеренных широт, то для него характерно отсутствие равновесного радиуса, и в центре циклона происходит схлёстка ветров, достигающих ураганной силы; при этом образуется мощная восходящая струя с сильной турбулентностью.

Разрушительная мощь центра торнадо такова, что при его перемещении образуются полосы бурелома в вековых лесах и сокрушаются капитальные строения. Печальный опыт имеют и авиаторы: в центре торнадо возможно разрушение самолёта в воздухе. Удивительно, но это впечатляющее природное явление – схлёстка ветров в центре циклона с образованием восходящей турбулентной струи – до сих пор не имеет даже собственного названия.

Ученые пришли к выводу, что торнадо и шаровая молния могут породниться магнитным полем земли (на данный момент тоже не полностью изученным). Так в магнитном поле тоже могут происходить вращения энергии, которые похожи на вихревые потоки воздуха в торнадо. Причиной таких образований могут быть сильнейшие электрические разряды в атмосфере.

Но ведь, есть предположения, что торнадо возникают от магнитного поля в результате разряда молнии. Здесь роль играют неожиданные магнитные вихри, образующиеся в магнитном поле. Вокруг молнии организуется кратковременное электромагнитное вращение, которое сразу же затухает после прекращения разряда. Здесь толчок в виде молнии служит причиной образования торнадо. Можно привести пример с размешиванием ложкой воды в стакане или те же вихревые вращения воды в реках с быстрым течением.

Есть предположение, что вихревые движения в магнитном поле создают вращения в атмосфере, результатом чего может быть торнадо, а не наоборот, как некоторые считают.

Отсюда становится ясно, почему торнадо чаще появляются над обширными территориями, а наибольшая мощность их в воздухе, содержащем максимум пылевых частиц. Почему пылевых? Замкнутое вихревое магнитное поле электризует все, что находится в воздухе. Наибольшей электризации “поддаются” микроскопические пыльные частицы. Наэлектризовываясь, они начинают кружиться в магнитном поле, переходя вверх и увлекая за собой потоки воздуха. К этому моменту воздух превращается в вихрь.