Смерчи и торнадо

На сегодня природные катаклизмы, такие как торнадо, смерчи и ураганы, приносят большие разрушения, человеческие жертвы и сотни миллионов долларов материального убытка. Специалисты-метеорологи считаю, что наиболее разрушительные ураганы, участившиеся за последние десятилетия, напрямую связаны с глобальным потеплением климата. А так как температура в атмосфере с каждым годом продолжает неуклончиво и неконтролируемо расти, следует ожидать еще больше “подарков” от природы.

Смерч (торнадо, как его называют в Америке) представляет вращающийся нагретый воздушный поток. Скорость вращения при этом может доходить 1000 метров в секунду. Для его образования в атмосфере необходимы разреженные дождевые облака и мощный вертикальный поток воздуха между облаком и поверхностью земли. Наиболее мощные и разрушительные торнадо могут проходить до 500-1000 километров, обрушивая на месте затухания все то, что было им собрано по пути. Самый разрушительный торнадо имел место быть на территории США весной 1974 года. Тогда он насчитывал более 100 вихрей, которые забрали жизни более 30 человек (4000 при этом были ранены). Убыток исчислялся более 700-тами миллионов долларов.

Европейский смерч не менее опасен. Хотя более мощные смерчи образовываются на обширных равнинах, в Европе случались немалые разрушения от такого “нежданного гостя”. В России в том же 1974 году смерч даже опрокинул в реку 240-тонный строительный кран.

И смерчи, и торнадо являются локальными атмосферными образованиями, и по возможности встречу с ними можно избежать. А вот что действительно устрашает своей мощью, так это ураган. Обычно от ураганов страдает население тех стран, которые расположены от 5 по 35 градуса в северном полушарии. Здесь такие природные явления наиболее часты. Все ураганы возникают над океаном, точнее над наиболее прогретой его частью. Для образования урагана температура воды должна быть не менее 27 градусов по Цельсию. С космоса он напоминает тот же торнадо, только гораздо больше. А на периферии урагана могут образоваться новые вихревые потоки в виде смерчей, что сделает такой воздушный фронт еще мощнее и свирепее.

Самым "фатальным" ураганом в истории человечества (разумеется, то, что осталось в истории) стал ураган Катрина, который настиг южные штаты США 27-29 августа 2005 года. По мере приближения к побережью специалисты дали ему наивысший балл по шкале Саффира-Симпсона. Скорость ветра при урагане Катрина равнялась 220-280 километров в час.

Больше других в те дни вынес город Новый Орлеан, который был уничтожен на 80 процентов. Ураган Катрина забрал почти 2000 человеческих жизней и принес экономический ущерб в размере 125 миллиардов долларов.

Многие страны мира выделяют средства на изучение и борьбу с такими природными явлениями. Но если предсказать еще можно приближение урагана или торнадо, то бороться сегодня нам не под силу.

Как образуется торнадо

Детальные причины образования торнадо пока до конца не изучены. Ведь если будут известны все причины, тогда можно будет избежать и сам торнадо, и возможные последствия от его “разгула”

На сегодня известны некоторые условия, при коих возникают торнадо. Для зарождения нужно, чтобы в нижних пластах атмосферы присутствовал влажный теплый воздух, а ветры должны дуть в южном направлении. А в верхних пластах атмосферы при этом должен быть сухой и холодный воздух. При таких условиях происходит подъем воздушной массы у поверхности земли, откуда торнадо набирает свою энергию.

Жизнь торнадо можно разделить на три фазы: зарождение, развитие и затухание. При зарождении торнадо в дождевом или кучево-дождевом облаке появляется воронка, которая вырастает по спирали к поверхности земли или воды. Энергия будущего торнадо формируется за счет термической конвекции, когда нагретый воздух уходит вверх. С каждой минутой с поднимающимся воздухом возрастает и скорость вращения будущего торнадо. От скорости вращения притягивается больше теплого воздуха, а от теплого воздуха увеличивается скорость вращения. И так по кругу, пока мощь не доберется до своего апогея. Потенциальная энергия этой системы, переходит в кинетическую энергию вращательно движения воздуха. Скорость этого движения возрастает, и он приобретает свой классический вид. Тогда стартует вторая стадия - стадия полного развития. Здесь уже сформированное торнадо достигает максимальных значений в скорости и размерах и начинает свое движение. Более мощные и губительные торнадо наблюдаются на суше, в море они непродолжительны и не так сильны.

Третья стадия – затухания. Здесь скорость вращения воронки уменьшается, цвет от темного меняется на светлый, а само торнадо разрывается приблизительно пополам, одна часть уходит к земле, другая поднимается в “материнское” облако.

По времени жизнь любого торнадо занимает несколько десятков минут. Лишь некоторые наиболее мощные могут существовать несколько часов. Приблизительная скорость движения среднего торнадо составляет 60 километров в час, и очень редко достигает 200 километров в час.

Если рассматривать не детально, торнадо напоминает собой пустой цилиндр вращающегося воздушного потока, состоящего из разреженного воздуха, облаков и блеска молний. Мощь торнадо настолько велика, что все предметы, которые попали в такой поток, разрушались, а все живое погибало. Для исследования внутреннего строения были попытки отправить самолет внутрь смерча, но все оборудование было разрушено.

Наиболее разрушающей частью торнадо являются его воронки. Все воронки можно разделить на: плотные, ограниченно плотные, и воронки с неясными границами. Более плотные стенки меньше по ширине, менее плотные, соответственно, в толщину могут достигать сотни метров. Одно и то же торнадо во время своего развития может несколько раз менять толщину и плотность стенок воронки.

Торнадо образовывается из разряженного облака. Для таких облаков свойственно плотное, почти ровное и горизонтальное основание. Такое облако резко отличается в небе. При этом уже видны “зародыши” торнадо в виде крутящихся трубообразных отростков. Наиболее детальное исследование смерча затруднено его неожиданностью образования и малой территорией охвата. Ученые установили приблизительные размеры и описание облака, из которого зарождается торнадо. В ширину оно составляет 5-10 километров (иногда 15 км), в высоту 3-5 километров (доходило и до 10 км). Вообще размер облака влияет напрямую на сам торнадо. Чем больше площадь облака, тем будет грознее и мощнее образовавшийся в нем смерч. Известны смерчевые облака в длину до 50 километров, в ширину до 40 км.

Уже образованный торнадо напоминает вихрь с вращением воздуха внутри по спирали вверх. Центральная часть отмечается низким давлением, поэтому торнадо напоминает собой пылесос, захватывающий при своем движении почву, воду, различные предметы и даже целые постройки. Расстояние при движении может быть от 5-10 до 500 километров.

Наибольшее число торнадо образовывается в Европе, Юго-Восточной Азии, Африке, Северной Америке. В США каждый год наблюдается около 700 таких смерчей.

Можно привести пример торнадо в США в 1925 году, унесшее 700 человеческих жизней. В этом случае вначале своего “пути” стенки торнадо изменились от гладких и прозрачных, до черных. Дистанция насчитывает около 40 километров.

Известно, что любые атмосферные вихри (циклоны) образуются при движении вверх тёплого влажного воздуха, который выделяет ещё и скрытую теплоту конденсации. Однако, основной причиной зарождения тропических циклонов (ураганов, тайфунов) и торнадо (смерчей, тромбов), вероятно, является лавинообразная конденсация переохлаждённого водяного пара, резкое понижение давления.

В этот момент наблюдается шквалистый ветер, затем образуется мезоциклон, который перерастает в крутящуюся воронку, опускающуюся до земли. Воронка-вихрь перемещается вслед за областью интенсивной конденсации и воздушным потоком с частицами пыли и тумана ещё больше ускоряет этот процесс. Для торнадо резкое понижение давления - основной источник кинетической энергии.

Восходящий воздушный поток внутри воронки передаёт часть кинетической энергии движению воздуха по кругу (и там, и там - струйное течение). Это происходит в момент вбрасывания воздуха из крутящейся стенки вихря вовнутрь.

Сначала может образоваться локальный вихрь, который какое-то время продолжает двигаться внутри стенки вихря-воронки, вращаясь одновременно и вокруг собственной оси. Ускоренной частью (аналогично удвоению скорости верхней части колеса при качении) этот локальный вихрь возвращает часть кинетической энергии обратно в вихрь-воронку.

Затем (или одновременно) на границе потоков образуется область турбулентности, которая, внедряясь в стенку вихря, образовавшимся "выступом" ускоряет, как над крылом самолёта, огибающие его воздушные потоки и, следовательно, сам вихрь

Средний торнадо при своем движении проходит путь в 20-30 километров. Иногда расстояние может составлять 100-150 километров. Гигантские торнадо могут проходить расстояния в 350-500 километров. Характер, расстояние и мощь смерча зависит еще и от характера поверхности, по которой он проходит.

При движении некоторые торнадо могут совершать подобие прыжков. Это когда, пройдя некоторое расстояние по земле, смерч отрывается и совершает свое движение уже в воздухе. Далее он может опуститься и продолжить движение или затухнуть, что очень редко. Прыжки при этом могут повторяться несколько раз.

Обычно торнадо чаще образуются на обширных равнинах, над которыми присутствуют как холодные, так и теплые воздушные течения. Формирование над такими территориями “материнских” облаков для торнадо наиболее благоприятно.

Чаще торнадо образуются в Европе, Восточной и Юго-Восточной Азии, Африке. Но здесь исследований проводится очень мало, поэтому точную цифру назвать трудно. Наибольшее число (по исследованиям) смерчей происходит в центральных штатах США. В некоторые годы число торнадо достигало 900.

Но это все торнадо над сушей. Их морские братья – смерчи – счету не поддаются, потому что возникают и исчезают вдалеке от основных морских путей. Здесь нет возможности как-то запечатлеть визуально, или хотя заметить на радаре. Смерчи наблюдаются во всех океанах, кроме Северного-Ледовитого. Наибольшее число зафиксировано на территории от берегов Японии до Австралии. Также морские торнадо встречаются и в морях. Небольшие смерчи были замечены в Черном, Балтийском морях, в заливах Мексиканском и Святого Лаврентия.

Смерчи над океаном обычно возникают группами из одного облака, перемещаясь, при этом, один за другим. Наиболее сильные и разрушительные смерчи образуются из кучево-дождевых облаков. Могут сопутствовать им тропические ливни и грозы. Мощность морских смерчей обычно меньше, чем у земных торнадо. Обычно разрушения от них небольшие. Очень редкие смерчи уносили с собой небольшие лодки вместе с людьми.

Из чего состоит торнадо?

Торнадо - сильно закручивающиеся воздушные воронки, поднимающие в воздух мусор и пыль. Существуют различные виды торнадо, образующиеся по различным причинам, различаются и по степени разрушительной силы.

Наиболее известны и разрушительны торнадо, возникающие на среднем западе США. Суровые бури также являются причиной таких явлений как огромные градины, сильные шквальные ветры, нисходящие порывы, иногда не менее разрушительные, чем торнадо.

Другие виды торнадо возникают в результате местной конвекции (кругооборота воздушных масс), возможно в результате взаимодействия горячей поверхности земли, холодного воздуха и поверхностного ветра (например морской бриз).

Например «Пылевой дьявол» (вили-вилли) – сильный вихрь, поднимающий пыль, характерен для жарких, засушливых регионов таких как, например Центральная Австралия, но как правило это явление не продолжительно. Водяной смерч это торнадо, который зарождается над водой, по тем же причинам, что и наземный вихрь.

Как правило, самые разрушительные и продолжительные торнадо ассоциируются со страшной бурей.

Образование воронки торнадо

Обычно, на границе фронтов, холодный воздух, сталкиваясь с тёплым, вытесняет его в верхние слои. Это может происходить и на периферии циклона. Таким образом, область переохлаждённого пара может протянуться и вдоль границы фронтов.

При резком падении давления в этой области образуются локальные вихри (мезоциклоны), которые могут перерасти в торнадо (смерч, тромб). Судя по всему, через воронку (рукав, хобот) при её продвижении вдоль границы фронтов, в область конденсации (и низкого давления) поступает быстрый поток воздуха, а так как процесс конденсации не прекращается, захватывая всё новые области, и быстрым потоком воздуха только усиливается - это объясняет устойчивость торнадо.

Сконденсированные внутри воронки пары воды в виде тумана (и частицы пыли) забрасываются в область неустойчивости (конденсации) и служат дополнительными центрами конденсации. Торнадо сопровождаются грозами, проливным дождём, градом.

По строению торнадо похожи на колонны конусовидной формы, сужающиеся к поверхности земли или воды. По поверхности могут передвигаться как прямо, ни перед чем не останавливаясь, так и петлять как змея. По составу бывают пылевые и огненно-дымовые, в зависимости от территории, на которой зародился торнадо или через которую проходил. Пылевые зарождались на песчаной равнине, огненные прошли через горящий лес или извергающийся вулкан. Наиболее разрушительными являются большие по форме торнадо с расплывчатыми очертаниями стенок.

Торнадо свойственен для равнин умеренных и субтропических широт. Зарождается при контрасте тепловых характеристик воздушных масс и сильном вертикальном движении нагретого воздуха от земли.

Ввиду наибольшего количества торнадо на территории США, американские ученые владеют значительной информацией в этой области. По подсчетам ежегодно в США происходит до 1000 торнадо. Наибольший пик достигает в период с весны до конца лета. Традиционно торнадо появляются в грозовых воздушных массах, когда в них вторгаются холодные атмосферные фронты.

На более мощные и разрушительные вихри приходится только 2 процента, остальные считаются умеренными и не опасными. Но все равно ежегодно от них погибает около 80 человек. Обычный торнадо длится не более 20 минут, тогда как разрушительный может “жить” несколько часов.