Смерч погодное явление. Смерчи: причины возникновения и способы прогнозирования

Описание

Внутри воронки воздух опускается, а снаружи поднимается, быстро вращаясь, создаётся область сильно разреженного воздуха. Разрежение настолько значительно, что замкнутые наполненные газом предметы, в том числе здания, могут взорваться изнутри из-за разности давлений. Это явление усиливает разрушения от смерча, затрудняет определение параметров в нём. Определение скорости движения воздуха в воронке до сих пор представляет серьёзную проблему. В основном оценки этой величины известны из косвенных наблюдений. В зависимости от интенсивности вихря скорость течения в нём может варьироваться. Считается, что она превышает 18 м/с и может, по некоторым косвенным оценкам, достигать 1300 км/ч. Сам смерч перемещается вместе с порождающим его облаком. Это движение может давать скорости в десятки км/ч, обычно 20-60 км/ч. По косвенным оценкам, энергия обычного смерча радиусом 1 км и средней скоростью 70 м/с сравнима с энергией эталонной атомной бомбы , подобной той, которую взорвали в США во время испытаний «Тринити » в Нью-Мексико 16 июля 1945. (недоступная ссылка) Рекордом времени существования смерча можно считать Мэттунский смерч, который 26 мая 1917 года за 7 часов 20 минут прошёл по территории США 500 км, убив 110 человек . Ширина расплывчатой воронки этого смерча составляла 0,4-1 км, внутри неё была видна бичеподобная воронка. Другим знаменитым случаем торнадо является смерч Трех Штатов (Tristate tornado), который 18 марта 1925 года прошёл через штаты Миссури , Иллинойс и Индиана , проделав путь в 350 км за 3,5 часа. Диаметр его расплывчатой воронки колебался от 800 м до 1,6 км.

В Северном полушарии вращение воздуха в смерчах происходит, как правило, против часовой стрелки. Это может быть связано с направлениями взаимных перемещений масс воздуха по сторонам от атмосферного фронта, на котором формируется смерч. Известны и случаи обратного вращения. На соседних со смерчем участках происходит опускание воздуха, в результате чего вихрь замыкается.

В месте контакта основания смерчевой воронки с поверхностью земли или воды может возникать каскад - облако или столб пыли, обломков и поднятых с земли предметов или водяных брызг. При формировании смерча наблюдатель видит, как навстречу опускающейся с неба воронке с земли поднимается каскад, который затем охватывает нижнюю часть воронки. Термин происходит от того, что обломки, поднявшись до некоторой незначительной высоты, не могут уже удерживаться потоком воздуха и падают на землю. Воронку, не касаясь с землёй, может окутывать футляр . Сливаясь, каскад, футляр и материнское облако создают иллюзию более широкой, чем есть на самом деле, смерчевой воронки.

Иногда вихрь, образовавшийся на море, называют смерчем, а на суше - торнадо. Атмосферные вихри, аналогичные смерчам, но образующиеся в Европе , называют тромбами. Но чаще все эти три понятия рассматриваются как синонимы .

Причины образования

Причины образования смерчей полностью не изучены до сих пор. Можно указать лишь некоторые общие сведения, наиболее характерные для типичных смерчей.

Смерчи в своём развитии проходят три основных стадии. На начальной стадии из грозового облака появляется начальная воронка, висящая над землёй. Холодные слои воздуха, находящиеся непосредственно под облаком, устремляются вниз на смену тёплым, которые, в свою очередь поднимаются вверх (такая неустойчивая система образуется обычно при соединении двух атмосферных фронтов - тёплого и холодного). Потенциальная энергия этой системы переходит в кинетическую энергию вращательного движения воздуха. Скорость этого движения возрастает, и он приобретает свой классический вид.

Вращательная скорость растёт с течением времени, при этом в центре торнадо воздух начинает интенсивно подниматься вверх. Так протекает вторая стадия существования смерча - стадия сформировавшегося вихря максимальной мощности. Смерч полностью оформляется и движется в различных направлениях.

Завершающая стадия - разрушение вихря. Мощность торнадо ослабевает, воронка сужается и отрывается от поверхности земли, постепенно обратно поднимаясь в материнское облако.

Время существования каждой стадии различно и колеблется от нескольких минут до нескольких часов (в исключительных случаях). Скорость продвижения смерчей также различна, в среднем - 40 - 60 км/ч (в очень редких случаях может достигать 210 км/ч).

Места образования смерчей

Места, где могут образовываться смерчи, на карте имеют оранжевый цвет

Вторым регионом земного шара, где возникают условия для формирования смерчей, является Европа (кроме Пиренейского полуострова), и вся Европейская территория России, за исключением юга России , Карелии и Мурманской области , а также других северных областей.

Таким образом, смерчи в основном наблюдаются в умеренном поясе обоих полушарий, приблизительно с 60-й параллели по 45-ю параллель в Европе и 30-ю параллель в США.

Также смерчи фиксируются на востоке Аргентины , ЮАР , западе и востоке Австралии и ряда других регионов, где также могут быть условия столкновения атмосферных фронтов.

Классификация смерчей

Бичеподобные

Это наиболее распространённый тип смерчей. Воронка выглядит гладкой, тонкой, может быть весьма извилистой. Длина воронки значительно превосходит её радиус. Слабые смерчи и опускающиеся на воду смерчевые воронки, как правило, являются бичеподобными смерчами.

Расплывчатые

Выглядят как лохматые, вращающиеся, достигающие земли облака. Иногда диаметр такого смерча даже превосходит его высоту. Все воронки большого диаметра (более 0,5 км) являются расплывчатыми. Обычно это очень мощные вихри, часто составные. Наносят огромный ущерб ввиду больших размеров и очень высокой скорости ветра.

Составные

Могут состоять из двух и более отдельных тромбов вокруг главного центрального смерча. Подобные торнадо могут быть практически любой мощности, однако, чаще всего это очень мощные смерчи. Они наносят значительный ущерб на обширных территориях. .

Огненные

Это обычные смерчи, порождаемые облаком, образованным в результате сильного пожара или извержения вулкана. Именно такие смерчи впервые были искусственно созданы человеком (опыты Дж. Дессена (Dessens, ) в Сахаре , которые продолжались в 1960-1962 гг.). "Впитывают" в себя языки пламени, которые вытягиваются к материнскому облаку, образуя огненный смерч. Может разносить пожар на десятки километров. Бывают бичеподобными. Не могут быть расплывчатыми (огонь не находится под давлением, как у бичеподобных смерчей.

Водные

Это смерчи, которые образовались над поверхностью океанов, морей, в редком случае озёр. Они "впитывают" в себя воду (почему? См. Выше) и образовывают водные смерчи. "Впитывают" в себя волны и воду, образовывая, в некоторых случаях, водовороты, которые вытягиваются к материнскому облаку, образуя водный смерч. Бывают бичеподобными. Не могут быть расплывчатыми (как огненные: вода не находится под давлением, как у бичеподобных смерчей).

Земляные

Эти смерчи очень редкие, образовываются во время разрушительных катоклизмов или оползней, иногда землетрясений выше 7 баллов по шкале Рихтера, очень высокие перепады давления, сильно разряжен воздух. Бичеподобный смерч, расположен "морковкой" толстой частью к земле, внутри плотной воронки, тонкая струйка земли внутри, "вторая оболочка" из земляной жижи (если оползень). В случае с землетрясениями поднимает камни, что очень опасно.

Шаровые

Пока не известно, как он "устроен". Ещё не доказали, что он существует. Может быть огненным, водным, земляным, воздушным, и, что самое опасное - газовым, что вызывает взрывы, как шаровая молния. В общем, это объёмный овал или шар, который с бешеной скоростью крутится, потом расплющивается, расплющивая все свое содержимое (если туда попадёт человек, то, он будет похож на толстый блин, или разорванный на части). Был в Бразилии, во время огненного смерча, но из-за маленьких размеров (они примерно 10 - 50 метров в диаметре) его не заметили.

Снежные

Это снежные торнадо во время сильной метели.

Песчаные вихри

Песчаные вихри

От рассмотренных смерчей надо отличать «смерчи» песчаные («пыльные дьяволы»), наблюдаемые в пустынях (Египет , Сахара); в отличие от предыдущих, последние называются иногда тепловыми вихрями. Сходные по внешнему своему виду с настоящими смерчами, песчаные вихри пустынь ни по размерам, ни по происхождению, ни по строению и действиям ничего общего с первыми не имеют. Возникая под влиянием местного накаливания песчаной поверхности солнечными лучами, песчаные вихри представляют собой настоящий циклон (барометрический минимум) в миниатюре. Уменьшение давления воздуха под влиянием нагревания, вызывающее приток воздуха с боков к нагретому месту, под влиянием вращения Земли, а ещё более - неполной симметрии такого восходящего потока, образует вращение, постепенно разрастающееся в воронку и иногда, при благоприятных условиях, принимающий довольно внушительные размеры. Увлекаемые вихревым движением, массы песка поднимаются восходящим движением в центре вихря на воздух, и таким образом создается песчаный столб, представляющий подобие смерча. В Египте наблюдались такие песчаные вихри до 500 и даже до 1000 метров высотой при диаметре до 2-3 метров. При ветре эти вихри могут перемещаться, увлекаемые общим движением воздуха. Продержавшись некоторое время (иногда - до 2 часов), такой вихрь постепенно ослабевает и рассыпается.

Поражающие факторы

Меры предосторожности при смерче

Необходимо укрыться в наиболее прочном железобетонном строении со стальным каркасом, держась возле самой прочной стены, также - наилучший вариант укрытия - подземное убежище или пещера . Оставаться в автомобиле или в вагончике, учитывая большую подъёмную силу смерча, смертельно опасно, также опасно для жизни встретиться со стихией вне помещения.

Если смерч застал человека на открытом пространстве, то нужно перемещаться с максимальной скоростью перпендикулярно видимому движению воронки. Или, при невозможности отступления, укрыться в углублениях на поверхности (овраги, ямы, траншеи, кюветы дорог, рвы, канавы) и плотно прижаться к земле лицом вниз, укрыв голову руками. Это поможет значительно снизить вероятность и тяжесть травм от несомых смерчем предметов и обломков.

В небольшом одно- двух- этажном частном доме можно воспользоваться подвалом (здесь же на подобный экстренный случай разумно зараннее поместить запас воды и консервы, также свечи или светодиодные лампы) , если подвала нет, то следует держаться в ванной или в центре маленькой комнаты на нижнем этаже, можно под прочной мебелью , но подальше от окон. Благоразумным будет - одеться в плотную одежду, взяв с собой деньги и документы. Чтобы дом не взорвался от перепада давления, вызванного нагнетанием воздуха вихрем, со стороны приближающегося смерча рекомендуется плотно закрыть все окна и двери, а с противоположной стороны - открыть нараспашку и зафиксировать. Согласно технике безопасности желательно перекрыть газ и отключить электричество.

Интересные факты из хроники смерчей

Текущие исследования

Литература

• Вараксин А. Ю., Ромаш М. Э., Копейцев В. Н. Торнадо. - М.: Физматлит, 2011. - 344 с. - 300 экз. - ISBN 978-5-9221-1249-9

Примечания

1. Советский энциклопедический словарь. - М .: «Советская Энциклопедия», 1981. - 1600 с.
2. Наливкин Д. В. Смерчи. - М .: Наука, 1984. - 111 с.
3. «Смерч» // Этимологический словарь русского языка. / сост. М. Р. Фасмер, - М.: Прогресс 1964-1973
4. С.П.Хромов, М.А.Петросянц. Маломасштабные вихри . Метеорология и климатология . Архивировано из первоисточника 23 августа 2011. Проверено 8 июня 2009.
5. (недоступная ссылка)
6. Мезенцев В. А. , «Земля неразгаданная: рассказы о том как открывали и продолжают открывать нашу планету» / рецензент - д-р геогр. наук Э. М. Мурзаев, - М.: Мысль, 1983, С. 136-142
7. Г. Любославский: // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : В 86 томах (82 т. и 4 доп.). - СПб. , 1890-1907.
8. Черныш И. В. , «Походная энциклопедия путешественника», - М.: ФАИР-ПРЕСС, 2006, С. 289, ISBN 5-8183-0982-7
9. Джон Уайзман «Полное руководство по выживанию», - М.: АСТ, 2011, С. 549, ISBN 978-5-17-045760-1
10. Константин Ранкс «Пустыня Россия», - М.: Эксмо, 2011, С. 185-187, ISBN 978-5-699-46249-0
11. Кравчук П. А. Рекорды природы. - Л. : Эрудит, 1993. - 216 с. - 60 000 экз. - ISBN 5-7707-2044-1
12. (англ.) National Severe Storms Laboratory VORTEX: Unraveling the Secrets . National Oceanic and Atmospheric Administration (30 октября 2006). Архивировано из первоисточника 4 ноября 2012.
13. (англ.) Micheal H Mogil Extreme Weather. - New York: Black Dog & Leventhal Publisher, 2007. - P. 210–211. - ISBN 978-1-57912-743-5
14. (англ.) Kevin McGrath Mesocyclone Climatology Project . University of Oklahoma (5 ноября 1998). Архивировано из первоисточника 4 ноября 2012. Проверено 19 ноября 2009.
15. (англ.) Seymour, Simon (2001). Tornadoes. New York City, New York: HarperCollins . p. 32. ISBN 978-0-06-443791-2 .

См. также

Ссылки

• Смерч в Красногорске 3 августа 2007 года - метеорологические данные и видео на сайте Meteoweb.ru, 19.07.2008.

СМЕРЧИ И ТОРНАДО. Смерч (синонимы – торнадо, тромб, мезо-ураган) – это очень сильный вращающийся вихрь с размерами по горизонтали менее 50 км и по вертикали менее 10 км, обладающий ураганными скоростями ветра более 33 м/с. Энергия типичного смерча радиусом 1 км и средней скоростью 70 м/с, по оценкам С.А.Арсеньева, А.Ю.Губаря и В.Н.Николаевского, равна энергии эталонной атомной бомбы в 20 килотонн тротила, подобной первой атомной бомбе, взорванной США во время испытаний «Тринити» в Нью-Мексико 16 июля 1945. 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). Ниже на фотографиях показаны три смерча в США: в форме хобота, колонны и столба в момент касания ими поверхности земли, покрытой травой (вторичное облако в виде каскада пыли вблизи поверхности земли не образуется). Вращение в смерчах происходит против часовой стрелки, как и в циклонах северного полушария Земли.

В физике атмосферы смерчи относят к мезо-масштабным циклонам и их нужно отличать от синоптических циклонов средних широт (с размерами 1500–2000 км) и тропических циклонов (с размерами 300–700 км). Мезо-масштабные циклоны (от греческого meso – промежуточный) относятся к середине диапазона между турбулентными вихрями с размерами порядка 1000 м и менее и тропическими циклонами, образующимися в зоне конвергенции (схождения) пассатов на 5-ом градусе северной широты и выше, вплоть до 30-го градуса широты. В некоторых тропических циклонах ветер достигает ураганной скорости 33 м/с и более (до 100 м/c) и тогда они превращаются в тайфуны Тихого океана, ураганы Атлантики или вилли-вилли Австралии.

Тайфун – китайское слово, оно переводится как «ветер, который бьет». Ураган – это транслитерированное в русский язык английское слово hurricane . В больших синоптических циклонах средних широт ветер достигает штормовой скорости (от 15 до 33 м/с), но иногда и здесь он может стать ураганным, т.е. превысить предел 33 м/с. Синоптические циклоны образуются на зональном атмосферном течении, направленном в тропосфере средних широт северного полушария с запада на восток, как очень большие планетарные волны с размером, сравнимым с радиусом Земли (6378 км – экваториальный радиус). Планетарные волны возникают на вращающейся, сферической Земле и на других планетах (например, на Юпитере) под действием изменения силы Кориолиса с широтой и (или) неоднородного рельефа (орографии) подстилающей поверхности. Первыми важность планетарных волн для прогноза погоды осознали в 1930-х советские ученые Е.Н.Блинова и И.А.Кибель, а также американский ученый К.Россби, поэтому планетарные волны иногда называют волнами Блиновой – Россби.

Смерчи часто образуются на тропосферных фронтах – границах раздела в нижнем 10-километровом слое атмосферы, которые отделяют воздушные массы с различными скоростями ветра, температурой и влажностью воздуха. В области холодного фронта (холодный воздух натекает на теплый) атмосфера особенно неустойчива и формирует в материнском облаке смерча и ниже него множество быстро вращающихся турбулентных вихрей. Сильные холодные фронты образуются в весенне-летний и осенний период. Они отделяют, например, холодный и сухой воздух из Канады от теплого и влажного воздуха из Мексиканского залива или из Атлантического (Тихого) океана над территорией США. Известны случаи возникновения небольших смерчей в ясную погоду при отсутствии облаков над перегретой поверхностью пустыни или океана. Они могут быть совершенно прозрачными и лишь нижняя часть, запыленная песком или водой, делает их видимыми.

Наблюдаются смерчи и на других планетах Солнечной системы, например на Нептуне и Юпитере. М.Ф.Иванов, Ф.Ф.Каменец, А.М.Пухов и В.Е.Фортов изучали образование торнадо-подобных вихревых структур в атмосфере Юпитера при падении на него осколков кометы Шумейкера – Леви. На Марсе сильные смерчи возникнуть не могут из-за разреженности атмосферы и очень низкого давления. Наоборот, на Венере вероятность возникновения мощных торнадо велика, так как она имеет плотную атмосферу, открытую в 1761 М.В.Ломоносовым . К сожалению, на Венере сплошной облачный слой толщиной около 20 км скрывает ее нижние слои для наблюдателей, находящихся на Земле. Советские автоматические станции (АМС) типа Венера и американские АМС типа Пионер и Маринер обнаружили на этой планете в облаках ветер до 100м/с при плотности воздуха, в 50 раз превышающей плотность воздуха на Земле на уровне моря, однако смерчей они не наблюдали. Впрочем время пребывания АМС на Венере было кратким и можно ожидать сообщений о смерчах на Венере в будущем. Вероятно, смерчи на Венере возникают в зоне границы, отделяющей темную холодную сторону очень медленно вращающейся планеты от освещенной и нагретой Солнцем стороны. В пользу этого предположения говорит открытие на Венере и Юпитере грозовых молний, обычных спутников смерчей и торнадо на Земле.

Смерчи и торнадо надо отличать от образующихся на атмосферных фронтах шквальных бурь, характеризующихся быстрым (в течение 15 минут) возрастанием скорости ветра до 33 м/с и затем ее убыванием до 1–2 м/с (также в течении 15 минут). Шквальные бури ломают деревья в лесу, могут разрушить легкое строение, а на море могут даже потопить корабль. 19 сентября 1893 броненосец «Русалка» на Балтийском море был опрокинут шквалом и сразу же затонул. Погибло 178 человек экипажа. Некоторые шквальные бури, возникшие на холодном фронте, достигают стадии смерча, но обычно они слабее и не образуют воздушных воронок.

Давление воздуха в циклонах понижено, но в смерчах падение давления может быть очень сильным, до 666 мбар при нормальном атмосферном давлении 1013,25 мбар. Масса воздуха в торнадо вращается вокруг общего центра («глаза бури», где наблюдается затишье) и средняя скорость ветра может достигать 200 м/c , вызывая катастрофические разрушения, часто с человеческими жертвами. Внутри торнадо есть более мелкие турбулентные вихри, которые вращаются со скоростью, превышающей скорость звука (320 м/с). С гиперзвуковыми турбулентными вихрями связаны самые злые и жестокие проделки смерчей и торнадо, которые разрывают людей и животных на части или сдирают с них кожу и шкуру. Пониженное давление внутри смерчей и торнадо создает «эффект насоса», т.е. втягивания окружающего воздуха, воды, пыли и предметов, людей и животных внутрь тромба. Этот же эффект приводит к подъему и взрыву домов, попадающих в депрессионную воронку.

Классической страной торнадо является США. Например, в 1990 в США зарегистрировано 1100 разрушительных смерчей. Торнадо 24 сентября 2001 над футбольным стадионом в Колледж парке в Вашингтоне вызвало 3 смерти, ранило несколько человек и вызвало многочисленные разрушения на своем пути. Свыше 22 000 человек осталось без электричества.

В России наибольшую известность получили московские смерчи 1904 года, описанные в столичных журнальных и газетных публикациях как свидетельства многочисленных очевидцев. Они содержат все основные черты типичных смерчей русской равнины, наблюдающихся и в других ее частях (Тверская, Курская, Ярославская, Костромская, Тамбовская, Ростовская и другие области).

29 июня 1904 над центральной европейской частью России проходил обычный синоптический циклон. В правом сегменте циклона возникло очень большое кучево-дождевое облако с высотой 11 км. Оно вышло из Тульской губернии, прошло Московскую и ушло в Ярославскую. Ширина облака была 15–20 км судя по ширине полосы дождя и града. Когда облако проходило над окраиной Москвы, на нижней его поверхности наблюдали возникновение и исчезновение смерчевых воронок. Направление движения облака совпадало с движением воздуха в синоптических циклонах (против часовой стрелки, то есть в данном случае с юга-востока на северо-запад). На нижней поверхности грозовой тучи небольшие, светлые облака быстро и хаотично двигались в разные стороны. Постепенно, на беспорядочные, турбулентные движения воздуха налагалось упорядоченное среднее движение в виде вращения вокруг общего центра и вдруг из облака свесилась серая остроконечная воронка. которая не достигла поверхности Земли и была втянута обратно в облако. Через несколько минут после этого, рядом возникла другая воронка, которая быстро увеличивалась в размерах и отвисала к Земле. Навстречу ей поднялся столб пыли, становившийся все выше и выше. Еще немного и концы обоих воронок соединились, колонна смерча по направлению движения облака, она расширялась вверх и становилась все шире и шире. В воздух полетели избы, пространство вокруг воронки заполнилось обломками строений и сломанными деревьями. Западнее в нескольких километрах шла другая воронка, также сопровождавшаяся разрушениями.

Метеорологи начала 20 в. оценивали скорость ветра в Московских смерчах в 25 м/c, но прямых измерений скорости ветра не было, поэтому эта цифра ненадежна и должна быть увеличена в два-три раза, об этом свидетельствует характер повреждений, например изогнутая железная лестница, носившаяся по воздуху, сорванные крыши домов, поднятые в воздух люди и животные. Московские смерчи 1904 сопровождались темнотой, страшным шумом, ревом, свистом и молниями. Дождем и крупным градом (400–600 г). По данным ученых физико-астрономического института из смерчевого облака в Москве выпало 162 мм осадков

Особый интерес представляют турбулентные вихри внутри смерча, вращающиеся с большой скоростью, так что поверхность воды, например, в Яузе или в Люблинских прудах при прохождении смерча сначала вскипела и забурлила как в котле. Затем смерч всосал воду внутрь себя и дно водоема или реки обнажилось.

Хотя разрушительная сила московских смерчей была значительной и газеты пестрели самыми сильными прилагательными, нужно отметить, что по пятибалльной классификации японского ученого Т.Фуджита эти смерчи относятся к категории средних (F-2 и F-3). Наиболее сильные смерчи класса F-5 наблюдаются в США. Например, во время торнадо 2 сентября 1935 во Флориде скорость ветра достигала 500 км/час, а давление воздуха упало до 569 мм ртутного столба. Это торнадо убило 400 человек и вызвало полное разрушение построек в полосе шириной 15–20 км. Флориду не зря называют краем смерчей. Здесь с мая до середины октября смерчи появляются ежедневно. Например, в 1964 зарегистрировано 395 смерчей. Не все из них достигают поверхности Земли и вызывают разрушения.

Но некоторые, такие как торнадо 1935 года, поражают своей силой.

Подобные смерчи получают свои названия, например, торнадо Трех Штатов 18 марта 1925. Оно началось в штате Миссури, прошло по почти прямому пути через весь штат Иллинойс и закончилось в штате Индиана. Длительность смерча 3,5 часа, скорость движения 100 км/час, смерч прошел путь около 350 км. За исключением начальной стадии, торнадо везде не отрывалось от поверхности Земли и катилось по ней со скоростью курьерского поезда в виде черного, страшного, бешено вращающегося облака. На площади в 164 квадратной мили все было превращено в хаос. Общее число погибших – 695 человек, тяжело раненных – 2027 человек, убытки на сумму около 40 млн. долл., таковы итоги торнадо Трех Штатов.

Смерчи часто возникают группами по два, три, а иногда и более мезо-циклонов. Например, 3 апреля 1974 возникло более сотни смерчей, которые свирепствовали в 11 штатах США. Пострадало 24 тысячи семей, а нанесенный ущерб оценен в 70 млн. долл. В штате Кентукки один из смерчей уничтожил половину города Бранденбург, известны и другие случаи уничтожения смерчами небольших американских городов. Например, 30 мая 1879 два смерча, следовавшие один за другим с интервалом в 20 минут, уничтожили провинциальный городок Ирвинг с 300 жителями на севере штат Канзас. С Ирвингским торнадо связано одно из убедительных свидетельств огромной силы смерчей: стальной мост длиной 75 м через реку «Большая Голубая» был поднят в воздух и закручен как веревка. Остатки моста были превращены в плотный компактный сверток стальных перегородок, ферм и канатов, разорванных и изогнутых самым фантастическим образом. Этот факт подтверждает наличие гиперзвуковых вихрей внутри торнадо. Несомненно, что скорость ветра возросла при спуске с высокого и обрывистого берега реки. Метеорологам известен эффект усиления синоптических циклонов после прохождения горных цепей, например Уральских или Скандинавских гор. Наряду с Ирвингскими смерчами, 29 и 30 мая 1879 возникли два Дельфосских смерча западнее Ирвинга и смерч Ли к юго-востоку. Всего в эти два дня, которым предшествовала очень сухая и жаркая погода в Канзасе, возникло 9 смерчей.

В прошлом, смерчи США вызывали многочисленные жертвы, что было связано со слабой изученностью этого явления, сейчас число жертв от торнадо в США намного меньше – это результат деятельности ученых, метеорологической службы США и специального центра по предупреждению штормов, который находится в Оклахоме. Получив сообщение о приближении торнадо, благоразумные граждане США спускаются в подземные убежища и это спасает им жизнь. Впрочем встречаются и безумные люди или даже «охотники за торнадо», для которых это «хобби» иногда кончается гибелью. Смерч в городе Шатурш в Бангладеш 26 апреля 1989 попал в книгу рекордов Гиннеса как самый трагический за всю историю человечества. Жители этого города, получив предупреждение о надвигающемся смерче, проигнорировали его. В результате погибло 1300 человек.

Хотя многие качественные свойства смерчей к настоящему времени поняты, точная научная теория, позволяющая путем математических расчетов прогнозировать их характеристики, еще в полной мере не создана. Трудности обусловлены прежде всего отсутствием данных измерений физических величин внутри торнадо (средней скорости и направления ветра, давления и плотности воздуха, влажности, скорости и размеров восходящих и нисходящих потоков, температуры, размеров и скорости вращения турбулентных вихрей, их ориентации в пространстве, моментов инерции, моментов импульса и других характеристик движения в зависимости от пространственных координат и времени). В распоряжении ученых есть результаты фото и киносъемок, словесные описания очевидцев и следы деятельности торнадо, а также результаты радиолокационных наблюдений, но этого недостаточно. Торнадо либо обходит площадки с измерительными приборами, либо ломает и уносит аппаратуру с собой. Другая трудность состоит в том, что движение воздуха внутри торнадо существенно турбулентно. Математическое описание и расчет турбулентного хаоса – это сложнейшая и до сих пор в полной мере еще не решенная задача физики. Дифференциальные уравнения, описывающие мезо-метеорологические процессы, – нелинейные и, в отличие от линейных уравнений, имеют не одно, а много решений, из которых нужно выбрать физически значимое. Только к концу 20 в. ученые получили в свое распоряжение компьютеры, позволяющие решать задачи мезо-метеорологии, но и их памяти и быстродействия часто не хватает.

Теория торнадо и ураганов была предложена Арсеньевым, А.Ю.Губарем, В.Н.Николаевским. Согласно этой теории торнадо и смерчи возникают из тихого (скорость ветра порядка 1 м/с) мезо-антициклона (имеющегося, например, в нижней или боковой части грозового облака) с размером порядка 1 км, который заполнен (за исключением центральной области, где воздух покоится) быстро вращающимися турбулентными вихрями, образующимися в результате конвекции или неустойчивости атмосферных течений во фронтальных областях. При определенных значениях начальной энергии и момента импульса турбулентных вихрей на периферии материнского антициклона средняя скорость ветра начинает возрастать и меняет направление вращения, формируя циклон. С течение времени размеры формирующегося торнадо увеличиваются, центральная область («глаз бури») заполняется турбулентными вихрями, а радиус максимальных ветров смещается от периферии к центру торнадо. Давление воздуха в центре торнадо начинает падать, формируя типичную депрессионную воронку. Максимальная скорость ветра и минимальное давление в глазу бури достигается через 40 минут 1,1 сек после начала процесса образования торнадо. Для рассчитанного примера радиус максимальных ветров составляет 3 км при общем размере торнадо 6 км, максимальная скорость ветра равна 137 м/с, а наибольшая аномалия давления (разность между текущим давлением и нормальным атмосферным давлением) составляет – 250 мбар. В глазу торнадо, где средняя скорость ветра всегда равна нулю, турбулентные вихри достигают наибольших размеров и скорости вращения. После достижения максимальной скорости ветра торнадо начинает затухать, увеличивая свои размеры. Давление растет, средняя скорость ветра убывает, а турбулентные вихри вырождаются, так что их размеры и скорость вращения уменьшаются. Общее время существования торнадо для рассчитанного С.А.Арсеньевым, А.Ю.Губарем и В.Н.Николаевским примера составляет около двух часов.

Источником энергии, питающим торнадо являются сильно вращающиеся турбулентные вихри, присутствующие в первоначальном турбулентном потоке.

Фактически, в предложенной теории есть две термодинамическое подсистемы – подсистема А соответствует среднему движению, а подсистема В содержит турбулентные вихри. В расчетах не учитывалось поступление новых турбулентных вихрей в торнадо из окружающей среды (например, термиков – всплывающих вверх, вращающихся конвективных пузырей, образующихся на перегретой поверхности Земли), поэтому полная система А + В является замкнутой и суммарная кинетическая энергия всей системы со временем убывает из-за процессов молекулярного и турбулентного трения. Однако, каждая из подсистем является открытой по отношению к другой и между ними может происходить обмен энергией. Анализ показывает, что если значения параметров порядка (или, как их называют, критических чисел подобия, которых в теории пять) невелики, то среднее возмущение в виде начального антициклона не получает энергию от турбулентных вихрей и затухает под действием процессов диссипации (рассеяния энергии). Это решение соответствует термодинамической ветви – диссипация стремится уничтожить любое отклонение от состояния равновесия и заставляет термодинамическую систему вернуться к состоянию с максимальной энтропией, т.е. к покою (наступает состояние термодинамической смерти). Однако поскольку теория – нелинейна, то это решение не единственно и при достаточно больших значениях управляющих параметров порядка имеет место другое решение – движения в подсистеме А интенсифицируются и усиливаются за счет энергии подсистемы В. Возникает типичная диссипативная структура в виде торнадо, обладающая высокой степенью симметрии, но далекая от состояния термодинамического равновесия. Подобные структуры изучаются термодинамикой неравновесных процессов. Например, спиральные волны в химических реакциях, открытые и исследованные русскими учеными Б.Н.Белоусовым и А.М.Жаботинским. Другой пример – возникновение глобальных зональных течений в атмосфере Солнца. Они получают энергию от конвективных ячеек, имеющих намного меньшие масштабы. Конвекция на Солнце возникает из-за неравномерного нагрева по вертикали.

Нижние слоиатмосферы звезды нагреваются намного сильнее, чем верхние, которые охлаждаются из-за взаимодействия с космосом.

Полученные в расчетах цифры интересно сравнить с данными наблюдений Флоридского торнадо 1935 класса F-5, которое было описано Эрнстом Хемингуэем в памфлете Кто убил ветеранов войны во Флориде ?. Максимальная скорость ветра в этом торнадо оценивалась в 500 км/час, т.е. в 138,8 м/с. Минимальное давление, измеренное метеорологической станцией во Флориде, упало до 560 мм ртутного столба. Учитывая, что плотность ртути 13,596 г/см 3 и ускорение свободного падения 980,665 м/с 2 легко получить, что это падение соответствует значению 980,665·13,596·56,9 = 758,65 мбар. Аномалия же давления 758,65–1013,25 достигла –254,6 мбар. Как видно соответствие теории и наблюдений хорошее. Это согласие можно улучшить, слегка варьируя начальные условия, принятые при расчетах. Связь циклонов с понижением давления воздуха была отмечена еще в 1690 немецким ученым Г.В.Лейбницем . С тех пор барометр остается наиболее простым и надежным прибором для прогноза начала и конца торнадо и ураганов.

Предложенная теория позволяет правдоподобно рассчитывать и прогнозировать эволюцию смерчей, однако она выдвигает и немало новых проблем. Согласно этой теории, для возникновения торнадо нужны сильно вращающиеся турбулентные вихри, линейная скорость вращения которых иногда может превышать скорость звука. Существуют – ли прямые доказательства наличия гиперзвуковых вихрей, заполняющих возникающий смерч? Прямых измерений скоростей ветра в смерчах до сих пор нет и именно их должны получить будущие исследователи. Косвенные оценки максимальных скоростей ветра внутри торнадо дают положительный ответ на этот вопрос. Они получены специалистами по сопротивлению материалов на основании изучения изгиба и разрушений различных предметов, найденных в следе смерчей. Например, куриное яйцо было пробито сухим бобом так, что скорлупа яйца вокруг пробоины осталась невредимой, как и при прохождении револьверной пули. Часто наблюдаются случаи, когда мелкие гальки проходят через стекла, не повреждая их вокруг пробоины. Документально зафиксированы многочисленные факты пробивания летящими досками деревянных стен домов, других досок, деревьев или даже железных листов. Никакое хрупкое разрушение при этом не наблюдается. Втыкаются, как иглы в подушку, соломинки или обломки деревьев в различные деревянные предметы (в щепки, кору, деревья, доски). На фото показана нижняя часть материнского облака, из которого формируется торнадо. Как видно, она заполнена вращающимися цилиндрическими турбулентными вихрями.

Большие турбулентные вихри имеют размеры немногим меньшие, чем общий размер торнадо, но они могут дробиться, увеличивая скорость вращения за счет уменьшения своих размеров (как фигурист на льду увеличивает скорость вращения, прижимая руки к телу). Огромная центробежная сила выбрасывает из гиперзвуковых турбулентных вихрей воздух и внутри них возникает область очень низкого давления. Много в смерчах и молний.

Разряды статического электричества постоянно возникают из-за трения быстро движущихся частиц воздуха друг о друга и происходящей вследствие этого электризации воздуха.

Турбулентные вихри, также как и сам смерч, обладают очень большой силой и могут поднимать тяжелые предметы. Например, смерч 23 августа 1953 года в городе Ростове Ярославской области поднял и отбросил в сторону на 12 м раму от грузового автомобиля весом более тонны. Уже упоминался инцидент со стальным мостом длиной 75 м скрученным в плотный сверток. Смерчи ломают деревья и телеграфные столбы как спички, срывают с фундаментов и затем в клочки разрывают дома, опрокидывают поезда, срезают грунт с поверхностных слоев Земли и могут полностью высосать колодец, небольшой участок реки или океана, пруд или озеро, поэтому после смерчей иногда наблюдаются дожди из рыб, лягушек, медуз, устриц, черепах и других обитателей водной среды. 17 июля 1940 в деревне Мещеры Горьковской области во время грозы выпал дождь из старинных серебряных монет 16 в. Очевидно, что они были извлечены из клада, зарытого неглубоко в землю и вскрытого смерчем. Турбулентные вихри и нисходящие потоки воздуха в центральной области смерча вдавливают в землю людей, животных, различные предметы, растения. Новосибирский ученый Л.Н.Гутман показал, что в самом центре смерча может существовать очень узкая и сильная струя воздуха, направленная вниз, а на периферии смерча вертикальная составляющая средней скорости ветра направлена вверх.

С турбулентными вихрями связаны и другие физические явления, сопровождающие смерчи. Генерация звука, слышимого как шипение, свист или грохот, обычна для этого явления природы. Свидетели отмечают, что в непосредственной близости от смерча сила звука ужасна, но при удалении от смерча она быстро убывает. Это означает, что в смерчах турбулентные вихри генерируют звук высокой частоты, быстро затухающий с расстоянием, т.к. коэффициент поглощения звуковых волн в воздухе обратно пропорционален квадрату частоты и растет при ее увеличении. Вполне возможно, что сильные звуковые волны в смерче частично выходят за частотный диапазон слышимости человеческого уха (от 16 гц до 16 кгц), т.е. являются ультразвуком или инфразвуком. Измерения звуковых волн в торнадо отсутствуют, хотя теория порождения звука турбулентными вихрями была создана английским ученым М.Лайтхиллом в 1950-х.

Смерчи также генерируют сильные электромагнитные поля и сопровождаются молниями. Шаровые молнии в смерчах наблюдались неоднократно. Одна из теорий шаровой молнии была предложена П.Л.Капицей в 1950-х в ходе экспериментов по изучению электронных свойств разреженных газов, находящихся в сильных электромагнитных полях сверхвысокого частотного (СВЧ) диапазона. В смерчах наблюдаются не только светящиеся шары, но и светящиеся облака, пятна, вращающиеся полосы, а иногда и кольца. Временами светится вся нижняя граница материнского облака. Интересны описания световых явлений в смерчах, собранные американскими учеными Б.Вонненгутом и Дж.Мейером в 1968 «Огненные шары…Молнии в воронке…Желтовато-белая, яркая поверхность воронки…Непрерывные сияния…Колонна огня… Светящиеся облака… Зеленоватый блеск…Светящаяся колонна…Блеск в форме кольца…Яркое светящееся облако цвета пламени…Вращающаяся полоса темно-синего цвета…Бледно-голубые туманные полосы… Кирпично-красное сияние…Вращающееся световое колесо… Взрывающиеся огненные шары…Огненный поток…Светящиеся пятна…». Очевидно, что свечения внутри смерча связаны с турбулентными вихрями разной формы и размеров. Иногда светиться желтым светом весь смерч. Светящиеся колонны двух смерчей наблюдались 11 апреля 1965 в городе Толедо, штат Огайо. Американский ученый Г.Джонс в 1965 обнаружил импульсный генератор электромагнитных волн, видимый в смерче в виде светового круглого пятна голубого цвета. Генератор появляется за 30–90 минут до образования смерча и может служить прогностическим признаком.

Русский ученый Качурин Л.Г. исследовал в 70-х годах 20 в. основные характеристики радиоизлучения конвективных кучево-дождевых облаков, образующих грозы и торнадо. Исследования проводились на Кавказе с помощью самолетного радиолокатора в СВЧ диапазоне (0,1–300 мегагерц), сантиметровом, дециметровом и метровом диапазоне радиоволн. Было обнаружено, что СВЧ радиоизлучение возникает задолго до образования грозы. Предгрозовая, грозовая и послегрозовая стадии отличаются спектрами напряженности поля излучения, длительностью и частотой следования пакетов радиоволн. В сантиметровом диапазоне радиоволн, радар видит сигнал, отраженный от облаков и осадков. В метровом диапазоне отлично видны сигналы, отраженные от каналов сильных молний. В рекордно сильно грозе 2 июля 1976 в Аланской долине в Грузии наблюдалось до 135 молниевых разрядов в минуту. Увеличение масштабов грозовых разрядов происходило по мере уменьшения частоты их возникновения. В грозовом облаке постепенно образуются зоны с меньшей частотой разрядов, между которыми происходят наиболее крупные молнии. Л.Г.Качурин открыл явление «непрерывного разряда» в виде сплошной совокупности часто следующих импульсов (более 200 в минуту), амплитуда которых имеет практически неизменный уровень, в 4–5 раз меньший, чем амплитуды сигналов отраженных от молниевых разрядов. Это явление можно рассматривать как «генератора длинных искр», которые не развиваются в линейные молнии большого масштаба. Генератор имеет протяженность 4–6 км и медленно смещается, находясь в центре грозового облака – области максимальной грозовой деятельности. В результате этих исследований были выработаны методы оперативного определения стадий развития грозовых процессов и степени их опасности.

Сильные электромагнитные поля в торнадо-образующих облаках могут служить и для дистанционного отслеживания пути движения смерчей. М.А.Гохберг обнаружил вполне значимые электромагнитные возмущения в верхних слоях атмосферы (ионосфере), связанные с образованием и движением торнадо. С.А.Арсеньев исследовал величину магнитного трения в смерчах и высказал идею подавления торнадо методом запыления материнского облака специальными ферромагнитными опилками. В результате величина магнитного трения может стать очень большой и скорость ветра в торнадо должна уменьшиться. Способы борьбы с торнадо в настоящее время находятся в стадии изучения.

Сергей Арсеньев

Литература:

Наливкин Д.В. Ураганы, бури, смерчи . Л., Наука, 1969
Вихревая неустойчивость и возникновение смерчей и торнадо . Вестник Московского Государственного университета. Серия 3. Физики и астрономия. 2000, № 1
Арсеньев С.А., Николаевский В.Н. Рождение и эволюция торнадо, ураганов и тайфунов . Российская Академия Естественных Наук. Известия секции наук о Земле. 2003, Выпуск 10
Арсеньев С.А., Губарь А.Ю., Николаевский В.Н. Самоорганизация торнадо и ураганов в атмосферных течениях с мезо-масштабными вихрями. Доклады Академии Наук . 2004, т. 395, № 6



Смерч (синонимы — торнадо, тромб, мезо-ураган) — сильный вихрь, образующийся в жаркую погоду под хорошо развитым кучево-дождевым облаком и распространяющийся к поверхности земли или водоема в виде гигантского темного вращающегося столба или воронки.

Вихрь имеет вертикальную (или слегка наклоненную к горизонту) ось вращения, высота вихря составляет сотни метров (в ряде случаев 1-2 км), диаметр 10-30 м, время существования — от нескольких минут до часа и более.

Смерч проходит узкой полосой, так что непосредственно на метеостанции значительного усиления ветра может и не быть, но фактически внутри смерча скорость ветра достигает 20-30 м/с и более. Смерч чаще всего сопровождается ливневым дождем и грозой , иногда градом.

В центре смерча отмечается очень низкое давление, вследствие чего он засасывает в себя все, что встречается на пути, и может поднять воду, почву, отдельные предметы, постройки, перенося их иногда на значительные расстояния .

Возможности и способы прогнозировани

Смерч — явление, которое трудно спрогнозировать. Система мониторинга смерчей базируется на системе визуальных наблюдений сетью станций и постов, что практически позволяет определить только азимут перемещения смерча .

Техническими средствами, позволяющими иногда обнаружить смерчи, являются метеорологические радиолокаторы. Однако обычный радиолокатор не в состоянии установить наличие смерча, поскольку размеры смерча слишком малы. Случаи обнаружения смерчей обычными радиолокаторами отмечались лишь на очень близком расстоянии. Большую помощь радиолокатор может оказать при слежении за смерчем.

Когда на экране радиолокатора можно выделить радиоэхо облака, связанное со смерчем, оказывается возможным за один — два часа предупредить о приближении смерча .

В оперативной работе ряда метеорологических служб используются доплеровские радиолокаторы .

Защита населения при ураганах, бурях, смерчах

По скорости распространения опасности ураганы, бури и смерчи, могут быть отнесены к чрезвычайным событиям с умеренной скоростью распространения, что позволяет осуществлять широкий комплекс предупредительных мероприятий как в период, предшествующий непосредственной угрозе возникновения, так и после их возникновения — до момента прямого воздействия.

Эти мероприятия по времени подразделяются на две группы: заблаговременные (предупредительные) мероприятия и работы; оперативные защитные мероприятия, проводимые после объявления неблагоприятного прогноза, непосредственно перед данным ураганом (бурей, смерчем).

Заблаговременные (предупредительные) мероприятия и работы осуществляются с целью предотвращения значительного ущерба задолго до начала воздействия урагана, бури и смерча и могут охватывать продолжительный отрезок времени.

К заблаговременным мероприятиям относятся: ограничение в землепользовании в районах частого прохождения ураганов, бурь и смерчей; ограничение в размещении объектов с опасными производствами; демонтаж некоторых устаревших или непрочных зданий и сооружений; укрепление производственных, жилых и иных зданий, и сооружений; проведение инженерно-технических мероприятий по снижению риска опасных производств в условиях сильного ветра, в т.ч. повышение физической стойкости хранилищ и оборудования с легковоспламеняющимися и другими опасными веществами; создание материально-технических резервов; подготовка населения и персонала спасательных служб.

К защитным мероприятиям, проводимым после получения штормового предупреждения, относят: прогнозирование пути прохождения и времени подхода к различным районам урагана (бури, смерча), а также его последствий; оперативное увеличение размеров материально-технического резерва, необходимого для ликвидации последствий урагана (бури, смерча); частичную эвакуацию населения; подготовку убежищ, подвалов и других заглубленных помещений для защиты населения; перемещение в прочные или заглубленные помещения уникального и особо ценного имущества; подготовку к восстановительным работам и мерам по жизнеобеспечению населения.

В России смерчи не часты. Наиболее известны московские смерчи 1904 года. Тогда 29 июня из грозового облака над окраиной Москвы спустилось несколько воронок, разрушивших большое количество зданий — как городских, так и деревенских. Смерчи сопровождались грозовыми явлениями — темнотой, громом и молниями.

Материал подготовлен на основе информации из открытых источников

По телевизору часто рассказывают, что где-то случился смерч, где-то - торнадо. Все это - мощные вихри, которые сметают все на своем пути. Попасть в них не пожелаешь и врагу. Но, рассматривая фото и видео этих явлений, так и хочется узнать о них поподробнее.

Что такое смерч, что такое торнадо?

Смерч и торнадо - это мощные воронкообразные вихри, которые вращаются с бешеной скоростью. Они опускаются из кучево-дождевого облака в виде конусообразных воронок, которые сужаются по направлению к земле.

Высота смерча может достигать 10 км. Диаметр самой широкой части воронки бывает больше 50 км. Приближаясь, вихрь издает звук, напоминающий грохотание поезда или шум водопада. По пути своего движения он втягивает в себя все предметы - и мелкие, и крупные.

Как образуется смерч и какие есть виды?

Там, где образуется смерч, должны быть грозы и перепады давления. Неудивительно, что от этого стихийного бедствия больше всего страдают жители тропиков. Вначале на небе появляется черная грозовая туча. Шторм постепенно усиливается. С одной или сразу нескольких сторон тучи образуется вихревая воронка.

В разных полушариях смерч имеет свои особенности. К северу от экватора воронка закручивается по часовой стрелке, к югу - против часовой стрелки. Вихревой поток движется со скоростью 30 м/с и более. «Хобот» достигает земли и раскручивается в гигантскую воронку.

Смерч движется с места на место, как легковой автомобиль. Он питается большими объемами теплого или холодного воздуха. Когда их не остается, воронка начинает растворяться в воздухе. «Хобот» поднимается от земли и улетает все выше.

Разглядывать смерч интересно, потому что он может принять любую форму:

- Бичеподобную . Воронка выглядит как очень узкий «хобот».

- Расплывчатую . Напоминает вихревое облако.

- Составную . Один огромный смерч, окруженный несколькими вихрями поменьше.

- Огненную . Образуется на месте пожара или извергающегося вулкана.

- Водяную . Возникает над морем или океаном.

- Земляную . Образуется на месте землетрясения или оползня. Воронка затягивает грязь, камни, песок.

- Снежную . Возникает зимой во время метели. В воронку попадает много снега.

- Песчаную . Появляется на земле под действием солнечных лучей. Ветер поднимает в воздух столб песка и образует похожую на смерч воронку.

Чем отличается смерч от торнадо?

Возможно, это кого-то разочарует, но практически ничем не отличается смерч от торнадо. По сути это просто два синонима, которые обозначают одно и то же атмосферное явление.

Вихри чаще всего возникают в Северной Америке. Когда их увидели испанцы, приехавшие на материк после открытия Нового Света, они и произнесли слово «торнадо». В переводе с испанского оно означает «вращающийся», а ведь именно так ведет себя воронка.

Иногда смерчем называют вихрь, который образуется на воде, а торнадо - воронку, закрутившуюся на земле. Но это все - только разница в употреблении двух слов. По сути они обозначают одно стихийное бедствие - мощный и разрушительный вихрь.

Как выглядит смерч и торнадо

Хотите увидеть вихрь своими глазами? Почему бы и нет! На фото ниже можно узнать, как выглядит смерч. Образовавшийся на воде, он стремительно приближается к суше. Не позавидуешь морякам и людям, решившимся на прогулку по берегу. Хорошо, что такие вихри живут всего несколько «минут» и тают прямо на глазах.

Сходным образом выглядит торнадо. В Америке это частое явление, поэтому некоторые настолько осмелели, что останавливаются в пути и наблюдают за стихийным бедствием. Когда образуется торнадо, оно еще и заявляет о себе громыханием, но фотографии, к сожалению, звуков не передают.

Во всем мире и во все века возникали смерчи - удивительные физические явления, когда из грозовой тучи вниз спускается бешено вращающаяся воронка длиной 1-2 км и диаметром 50-100 м. Смерч, как мы видим из строк знаменитой поэтессы, символизирует для человека нечто темное, ужасающее, разрушительное, опасное. И это не случайно, известно, что энергия типичного смерча радиусом 1 км и средней скоростью 70 м/с, равна энергии эталонной атомной бомбы в 20 килотонн тротила, подобной первой атомной бомбе, взорванной США во время испытаний «Тринити» в Нью-Мексико 16 июля 1945 (по оценкам С.А. Арсеньева, А.Ю. Губаря и В.Н. Николаевского). Достигнув Земли, смерч с ревом и грохотом уничтожает все на своем пути, причем способен пройти за 5-7 часов путь длиной 500 км, порой увеличиваясь в диаметре и оставляя полосу разрушений шириной 2 км. В течение года на земном шаре возникает около 1000- 1500 смерчей, больше половины из них - в США.

1.1 Определение понятия.

Смерч - восходящий вихрь из чрезвычайно быстро вращающегося в виде воронки воздуха огромной разрушительной силы, в котором присутствуют влага, песок и другие взвеси. Восходящие вихри быстро вращающегося воздуха, имеющие вид темного столба диаметром от несколько десятков до сотен метров с вертикальной, иногда и загнутой осью вращения. Смерч как бы "свешивается" из облака к земле в виде гигантской воронки, внутри которой давление всегда пониженное, поэтому проявляется эффект "всасывания". Средняя скорость ветра от 15-18 м/с, до 50м/с, ширина фронта 350-400 м. Длина пути - от сотен метров до десятков и сотен километров. Иногда смерчи сопровождаются осадками в виде града, проливного дождя.

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 существует от нескольких минут до нескольких часов, а наибольшая траектория их измеряется несколькими сотнями километров. Ширина зоны разрушения соответствует размерам самих торнадо, обычно до 2-3 км. Разность давления между центром вихря и его периферией иногда достигает 150-200 мб.

Движение воздуха в системе смерчей и торнадо обычно происходит против часовой стрелки, но не исключены и движения по часовой стрелке. Одновременно совершается подъем воздуха по спирали. На соседних участках происходит опускание воздуха, в результате чего вихрь замыкается. Под влиянием большой скорости вращения внутри вихря развивается центробежная сила, вследствие которой давление в нем понижается. Это приводит к тому, что при перемещении вихря в его систему как бы всасывается все, что встречается на пути (вода, песок или различные предметы: камни, доски, крыши домов и т. п.), которые затем выпадают из облаков иногда на значительном расстоянии. Именно с этим связаны так называемые цветные, или кровавые дожди, которые образуются благодаря втягиванию в систему вихря окрашенных частичек породы и смешиванию их с каплями дождя. Если вихрь возникает на море или озере, то его называют смерчем. Смерчи часто вместе с водой всасывают в свою систему рыбу, которую облако может выбросить уже на берегу.

Т.к. радиус воронки смерча у земли уменьшается, то скорость у поверхности земли достигает сверхзвуковых величин. Внутри смерча разряжение воздуха так велико, что здания рассыпаются из-за напора, находящегося в них воздуха. Удивительна способность смерчей вонзать продолговатые предметы (соломинки, палки, обломки и др.) в деревья, стены домов, землю и т. п.

Давление воздуха в циклонах понижено, но в смерчах падение давления может быть очень сильным, до 666 мбар при нормальном атмосферном давлении 1013,25 мбар. Масса воздуха в торнадо вращается вокруг общего центра («глаза бури», где наблюдается затишье) и средняя скорость ветра может достигать 200 м/c , вызывая катастрофические разрушения, часто с человеческими жертвами. Внутри торнадо есть более мелкие турбулентные вихри, которые вращаются со скоростью, превышающей скорость звука (320 м/с). С гиперзвуковыми турбулентными вихрями связаны самые злые и жестокие проделки смерчей и торнадо, которые разрывают людей и животных на части или сдирают с них кожу и шкуру.

Смерчи редко возникают по одному - чаще "семьями", по несколько вихрей одновременно. В отдельных случаях создаются "семьи" из нескольких десятков вихрей, удаленных друг от друга на сотни метров или даже десятки километров. Путь смерча бывает прерывистым: это случается, когда "хобот" вихря отрывается от земли, чтобы обрушиться на нее с новой силой. .

1.2 Причины образования смерчей

Физическая природа смерча совершенно не исследована, нет ответа на вопросы, почему он устойчив, откуда черпает свою энергию, почему он способен, например, полностью уничтожить в саду целый ряд яблонь и оставить висеть нетронутыми яблоки на яблонях соседнего ряда и т.д. Не было среди исследователей согласия даже в вопросе о скорости ветра в смерче: косвенные свидетельства, такие как воткнутые в бревна и щепки соломинки, говорили о сверхзвуковых скоростях, а прямые локационные измерения давали однозначный результат - даже для сильных смерчей скорость равна 300 км/час.

Возникают смерчи и торнадо следующим образом. Из центральной части мощного грозового облака, нижнее основание которого принимает форму опрокинутой воронки, опускается гигантский темный хобот, который вытягивается по направлению к поверхности Земли или моря. Здесь навстречу ему приподнимается широкая воронка из пыли или воды, в открытую чашу которого хобот как бы погружает свой конец. Образуется сплошной столб, перемещающийся со скоростью 20-40 км/ч. Наиболее узкая часть этого столба приходится примерно на середину, высота его достигает 800-1500 м. Из грозового облака может опуститься несколько смерчевых воронок.

Смерчи в своём развитии проходят три основных стадии. На начальной стадии из грозового облака появляется начальная воронка, висящая над землёй. Холодные слои воздуха, находящиеся непосредственно под облаком устремляются вниз на смену тёплым, которые, в свою очередь поднимаются вверх. (Такая неустойчивая система образуется обычно при соединении двух атмосферных фронтов - тёплого и холодного). Потенциальная энергия этой системы переходит в кинетическую энергию вращательного движения воздуха. Скорость этого движения возрастает, и он приобретает свой классический вид.

Вращательная скорость растёт с течением времени, при этом в центре торнадо воздух начинает интенсивно подниматься вверх. Так протекает вторая стадия существования смерча - стадия сформировавшегося вихря максимальной мощности. Смерч полностью оформляется и движется в различных направлениях.

Завершающая стадия - разрушение вихря. Мощность торнадо ослабевает, воронка сужается и отрывается от поверхности земли, постепенно обратно поднимаясь в материнское облако.

Скорость продвижения смерчей также различна, в среднем - 40 - 60 км/ч (в очень редких случаях может достигать 210 км/ч). .

Существует две разновидности смерчей по происхождению: торнадо, причиной возникновения которых стали сильнейшие грозы, и торнадо, появившиеся вследствие других факторов. Как правило, торнадо появляются в результате грозы и часто наиболее опасны. Супершторм – продолжительная (более одного часа) гроза продолжающаяся за счет, восходящего воздушного потока, наклонного и беспрестанно вращающегося. Ширина этого потока достигает 10 миль в диаметре и 50000 футов в высоту требуется от 20 до 60 минут для формирования торнадо. Ученые называют это вращение мезоциклон, когда он определяется на радаре Доплера. Торнадо – крайне небольшая часть этого масштабного круговращения. Наиболее мощные торнадо возникают в результате сильных гроз.

Торнадо второго вида образуются без участия восходящих крутящихся воздушных потоков. Такой торнадо – представляет собой вихрь пыли и мусора, образующийся возле самой поверхности земли, вдоль линии фронта ветра без той страшной крутящейся воронки. Другой вариант торнадо – смерч, или иначе ураган. Это явление характеризуется узкой веревочнообразной воронкой, которая образуется, когда грозовая туч еще только формируется, и нет восходящего закручивающегося потока воздуха. Водяной смерч аналогичен «сухопутному» только возникает он над водой.

Наиболее благоприятная обстановка для зарождения воронки выполняется при выполнении трех условий. Во-первых, мезоциклон должен быть образован из холодных сухих масс воздуха. В этом случае по его высоте возникает особенно большой температурный градиент, близкий к адиабатическому значению. Во-вторых, мезоциклон должен выйти в район, где в приземном слое толщиной 1-2 км скопилось много влаги при высокой температуре воздуха 25-35 о С, т.е. создано состояние неустойчивости приземного слоя, готового к образованию ячеек с восходящими и нисходящими потоками. Проходя над этими районами, за короткое время мезоциклон засасывает в себя влагу с больших пространств и забрасывает ее на высоту 10-15 км. Температура внутри мезоциклона по всей высоте скачком повышается за счет принесенного влагой тепла, накопленного не только насыщенным паром, но и водяными каплями. Третье условие - это выбрасывание масс дождя и града. Выполнение этого условия приводит к уменьшению диаметра потока от первоначального значения 5-10 км до 1-2 км и увеличению скорости от 30-40 м/с в верхней части мезоциклона до 100-120 м/с - в нижней части..

1.3 Места образования смерчей

Атмосферные вихри, аналогичные смерчам, но образующиеся в Европе, называют тромбами, а в США - торнадо. Торнадо и смерчи, как и тропические циклоны, зарождаются при наличии большого запаса энергии неустойчивости в атмосфере. Эти условия создаются, когда внизу находится очень теплый и влажный воздух, а в верхней тропосфере - холодный.

Грозы бывают в большей части земного шара, за исключением регионов с субарктическим климатом и арктическим климатом, однако смерчи могут сопровождать только те грозы, которые находятся на стыке атмосферных фронтов.

Наибольшее количество смерчей фиксируется на североамериканском континенте, в особенности в центральных штатах США, меньше - в восточных штатах США. Здесь их насчитывают около 200 в год. Скорость движения торнадо также велика, иногда она достигает 100 км/ч. На юге Северной Америки торнадо возникают в течение всего года, с максимумом весной и минимумом зимой.

Вторым регионом земного шара, где возникают условия для формирования смерчей, является Европа (кроме Аппенинского полуострова), и вся Европейская территория России, за исключением юга России и Карелии и Мурманской области, а также других северных областей.

Таким образом, смерчи в основном наблюдаются в умеренном поясе обоих полушарий, приблизительно с 60-й параллели по 45-ую параллель в Европе и 30-ую параллель в США.

Также смерчи фиксируются на востоке Аргентины, ЮАР, западе и востоке Австралии и ряда других регионов, где также могут быть условия столкновения атмосферных фронтов.

1.4 Классификация смерчей

Бичеподобные

Это наиболее распространённый тип смерчей. Воронка выглядит гладкой, тонкой, может быть весьма извилистой. Длина воронки значительно превосходит её радиус. Слабые смерчи и опускающиеся на воду смерчевые воронки, как правило, являются бичеподобными смерчами.

Расплывчатые

Выглядят как лохматые, вращающиеся, достигающие земли облака. Иногда диаметр такого смерча даже превосходит его высоту. Все воронки большого диаметра (более 0,5 км) являются расплывчатыми. Обычно это очень мощные вихри, часто составные. Наносят огромный ущерб ввиду больших размеров и очень высокой скорости ветра.

Составные

Составной торнадо в Далласе1957 г.

Могут состоять из двух и более отдельных тромбов вокруг главного центрального смерча. Подобные торнадо могут быть практически любой мощности, однако, чаще всего это очень мощные смерчи. Они наносят значительный ущерб на обширных территориях.

Огненные

Это обычные смерчи, порождаемые облаком, образованным в результате сильного пожара или извержения вулкана. Именно такие смерчи впервые были искусственно созданы человеком (опыты Дж. Дессена (Dessens, 1962) вСахаре, которые продолжались в 1960-1962 гг.).

По интенсивности и степени разрушений смерчи делятся на семь категорий:

1. Скорость ветра 18-32 м/с. Слабые разрушения: повреждаются печные трубы, заборы, деревья.

2. Скорость ветра 33-49 м/с. Умеренные разрушения: срываются покрытия с крыш, движущиеся автомобили сбрасываются с дороги.

3. Скорость ветра 50-69 м/с. Значительные разрушения: срываются крыши с домов, переворачиваются грузовики, вырываются с корнем деревья.

4. Скорость ветра 70-92 м/с. Сильные разрушения: крыши и часть стен разрушаются, переворачиваются вагоны, в лесу с корнем вырывается большая часть деревьев, поднимаются над землей и перемещаются тяжелые автомобили.

5. Скорость ветра 93-116 м/с. Опустошительные разрушения: разрушаются тяжелые здания, строения со слабым фундаментом переносятся на другое место, автомашины разбрасываются в стороны, крупные предметы носятся в воздухе.

6. Скорость ветра 117-142 м/с. Сверхопустошительные разрушения: поднимаются тяжелые здания, переносятся и разрушаются автомобили, огромные предметы перемещаются по воздуху на большие расстояния с большой скоростью, деревья разламываются на части.

7. Скорость ветра от 143 м/с до скорости звука и больше. Полное разрушение.

В западной метеорологии интенсивность смерчей (торнадо) оценивают по шкале Фуджита-Персона, названной так по имени ученых, исследовавших это явление. По этой шкале интенсивность оценивается по трем показателям: скорости ветра в смерче F, длине пройденного пути L и ширине полосы разрушений W..