Что такое торнадо определение. Торнадо – грозное явление природы. Разница между смерчем и торнадо

Смерч или торнадо - удивительное и грозное природное явление, которое нередко превращается в масштабное стихийное бедствие. Оно может быть разным по скорости, размеру, продолжительности, характеру и форме. По сути, это движение воздуха, который сам по себе не виден. Та ужасающая картина, которую мы можем наблюдать - это не сам вихрь, а песок, вода, мусор, предметы и все то, что он поднял в воздух. Говоря кратко, смерч - это атмосферный вихрь, возникающий из-за разности температур воздуха, воды или суши, но изучить его до такой степени, чтобы спрогнозировать, а тем более предотвратить или укротить, человек пока не смог.

Ответить исчерпывающе на этот вопрос ученые пока не могут. На сегодняшний день изучены лишь определенные тенденции возникновения их типичных форм.

Кратко причиной возникновения смерчей являются резкие перепады температур воздуха над землей (сушей) и в верхних слоях атмосферы. Описание природного явления смерч можно разделить на три этапа.

1 этап - зарождение

Оно может происходить как на земле, так и в высоких слоях атмосферы, обычно на высоте 3-4 км, там, где, по докладам ученых, лежит ось воздушных потоков и где они чаще всего меняют силу и направление. В небе их источником является грозовое облако, представляющее собой контрастно холодную массу. Это провоцирует устремление теплых воздушных масс вверх, что при большой скорости их движения создает зону разрежения, и возле облака образуется сначала небольшая воронка.

2 этап - лавинообразное развитие

В небольшой поначалу вихревой поток мгновенно втягиваются новые слои теплого снизу и холодного сверху воздуха, что делает процесс лавинообразным и приводит к увеличению вихревых потоков с большим потенциалом энергии. Потенциальная тепловая энергия переходит в кинетическую. Движется она в сторону более холодных воздушных масс, которые, попадая в зону разрежения и низкого давления, охлаждаются еще больше, мощность торнадо нарастает, сметая все на пути.

3 этап - угасание

По мере уменьшения объемов воздуха с контрастными температурами мощность смерча ослабевает, его извивающаяся змейка становится все уже, затем отрывается от земли и, поднимаясь вверх, постепенно уходит обратно в материнское облако.

«Сердце» торнадо

Так называют область сильно разреженного воздуха в центре вихревого потока. Попадание в нее наиболее опасно, поскольку из-за крайне низкого давления попавшие в нее предметы попросту взрываются.

У человека возникает компрессионный синдром, как при разгерметизации самолета на большой высоте, его органы могут разорваться от внутреннего давления. На периферии воронки люди и предметы могут подниматься на большую высоту, наибольшую опасность представляет огромная скорость движения, при которой причиной гибели и увечий служат столкновения и падения. Но в истории известно немало случаев, когда подхваченные вихрем люди, машины и целые строения переносилось на большие расстояния и практически без повреждений опускались на землю.

Их будет больше

Для возникновения вихревого потока нужен колоссальный запас энергии. Источником ее является солнце, а к локальному выделению приводит обычно накопленный в воздухе водяной пар. По мере увеличения температуры воды в мировом океане увеличивается и концентрация водяного пара, что приводит к росту количества этих стихийных бедствий. Как следствие, прогнозируется не только рост случаев торнадо, но и возрастание их мощности.

Сколько длится смерч?

Продолжительность смерча и каждой его стадии непредсказуемы. Может пройти несколько минут, а может несколько часов, хотя последнее скорее является исключением. В истории зафиксированных наблюдений рекорд в этом отношении принадлежит торнадо, который случился в 1917 году и вошел в историю как Мэттунский. Он свирепствовал 7часов 20 мин. Количество его жертв составило, как минимум, 110 человек, а протяженность разрушений - 500 км.

Нет у вихревых потоков и стабильной скорости, обычно она составляет 40-60км/час, но бывает и гораздо больше. Измерения зафиксировали максимальный порог в 210 км/час, но данные не являются точными, ибо измерить практически эту скорость очень сложно из-за огромной разрушительной мощности. Данные высчитываются теоретически.

Передвигаться смерч при этом может на значительные расстояния, при этом, возникнув из облака, всегда движется вместе с ним.

Что такое каскад и футляр?

Поскольку то, что мы видим, это не сам смерч, а то, что он поднял в воздух, размеры воронки обычно кажутся большими, чем они есть на самом деле. Поднятые вверх тяжеловесные предметы центробежной силой выносятся на периферию, где мощности потока уже не хватает для их удержания, и они разлетаются в стороны, образуя так называемый каскад, который захватывает нижнюю часть. Если он не соприкасается с землей, а наблюдается в верхней части, его называют футляр. Именно они создают видимость большого диаметра вихря.

По описанию характера природного явления - ничем. Иногда принято считать, что первый возникает над сушей, а второй над водной поверхностью. На самом деле это лишь разновидности одного и того же, а их называния обусловлены лишь языковыми ассоциациями. У славян от древнерусского корня слова «смерть» (смерч), на американском континенте - от «tornado» (вращение, вращающийся).

Разновидности смерчей

Наблюдаемое природное явление классифицируется по форме, характеру зарождения и другим признакам.

Бичеподобные

Их можно наблюдать чаще всего. Ствол воронки гладкий, достаточно тонкий, прямой или извивающийся. Длина ее значительно превышает ширину. Разрушения от них обычно менее сильные, наблюдать их часто можно над поверхностью воды.

Расплывчатые

Как понятно из названия, эти вихри не имеют четких очертаний и больше похожи на взлохмаченное кружащееся облако. Диаметр их таков, что может значительно превышать высоту и захватывать значительные территории. К этой категории обычно относят торнадо, чей охват превышает 0,5 км. Они является опаснее бичеподобных и часто несут с собой катастрофические последствия.

Составные

Еще более опасная разновидность, представляющая собой несколько столбов, которые образуются возле основного торнадо. Захватывают большие территории и бывают более продолжительными по времени.

Огненные

Это самые страшные, но, к счастью, очень редкие смерчи. Зарождаются они на больших пожарищах или при извержении вулкана. Большие пласты раскаленного и, как следствие, разреженного воздуха стремительно поднимаются вверх, смешиваясь с холодными потоками и образуя огненные вихри, которые не только рушат, но и сжигают все на своем пути. Они способны разносить пожары на десятки километров, не оставляя после себя ничего живого.

Водяные

Возникают над водоемами без сильного течения (моря, озера) в местах, где над холодной водой сильно прогревается воздух. Опускаясь до поверхности, воронка вовлекает в себя и раскручивает толщу воды, разбивая ее на водяную пыль, которая поднимается высоко в воздух. Это самые короткие вихри, которые «живут» не более нескольких минут.

Земляные

Возникают чрезвычайно редко, ибо для их зарождения требуется сочетание нескольких природных факторов. В основе такого торнадо лежит такой катаклизм, как оползень или землетрясение. Если смерч возникает в этом месте, он поднимает столб земли, который имеет бичеподобную форму. Но этим дело не ограничивается. Снаружи этот столб облекается в еще одну оболочку (каскад или футляр), которые состоят из земляной жижи (если причиной был оползень) или камней, которые могут быть поистине огромными, если происходит землетрясение. Такие смерчи чрезвычайно опасны для людей.

Снежные

Возникают в зимнее время во время схода лавин или сильных метелей.

Песчаные

Имеют принципиальное отличие в характере образования воздушных завихрений, которые приводят к неконтролируемому процессу. Происходит это не высоко над землей в грозовом холодном облаке, а на земле из-за сильно раскаленного песка, над которым воздух перегревается до критических температур и создает область разреженного давления. Устремляющиеся сюда холодные массы поднимают песок и образуют внушительного диаметра песчаный столб, движущийся в сторону холодных масс и не имеющий над собой материнского облака. Описаны случаи, когда песчаный смерч держался до 2 часов. Затухание в этом случае происходит не вверх, а вниз.

Невидимые

Это разновидность бичеобразных торнадо, которые либо не доходят до земли и не вовлекают в себя пыль, мусор, песок и т.д., либо опускаются на совершенно гладкую поверхность, например, каменистую скалу. Опасны тем, что практически не видны, однако, и возникают они в местах, где редко наносят ущерб людям.

Чем отличается смерч от урагана?

Ураган представляет собой движение не вертикальной и спиралеобразной, а горизонтальной прямолинейной направленности. Причиной его является разница температур не в разных слоях атмосферы в зависимости от их высоты, а температурные перепады возле земной поверхности.

  • Каждый торнадо имеет не только индивидуальную форму и цвет, но и свой звук, который зависит от характера и рельефа местности и от набора предметов, которые он несет.
  • Наиболее частое место образования этого природного явления - Североамериканский континент, особенно в США. Здесь ежегодно фиксируется более 800 случаев их возникновения. Поэтому при постройке дома во многих штатах предусматривают специальное убежище под землей.
  • Изменение климата приводит к тому, что торнадо появляются там, где они не возникали никогда прежде, несмотря на то, что у них есть излюбленные места, как и у землетрясений.
  • Наибольшее их количество зарождается между 45 и 60 параллелями, в то время как в США они охватывают гораздо большую площадь и доходят до 30 параллели.
  • Ночные смерчи - явление редкое. В основном они возникают в дневные и вечерние часы.
  • Весной и летом, т.е. в период, когда температура повышается или стабильно высока, их появление случается в 5 раз чаще, чем в остальное время года. Любимые месяцы этого катаклизма - май и июль.
  • Чтобы обогнать вихревой поток со средними показателями, нужно развить скорость не менее 100 км/час.

  • Есть случаи не только выживших, но почти не пострадавших людей, которые побывали в «сердце» смерча.
  • Именно это явление является причиной невероятных дождей из денег, лягушек, пауков, рыб и прочего невероятного для дождя содержимого.
  • Однажды на небольшое рыболовецкое судно, вышедшее на промысел в Охотское море, с неба рухнула корова, унесенная откуда-то смерчем. Судно пошло ко дну, но экипаж был спасен.
  • Смерчи возникают не только на Земле. Например, наблюдаемое на поверхности Юпитера так называемое Большое Красное Пятно - не что иное как чудовищное торнадо, которое бушует на этой планете уже более 300 лет.
  • Невозможно спрятаться от крутящегося вихря на поверхности земли. Для этого подходят только подземные убежища.
  • В нашем полушарии вихревые потоки движутся по часовой стрелке, тогда как в противоположном полушарии - наоборот.
  • Возникают они только в облачную погоду с грозовыми тучами.
  • Случались смерчи с диаметром нижнего основания «хобота» в несколько километров.
  • Воздух в центре воронки неподвижен и спокоен, но дышать там практически нечем из-за его сильной разреженности.

    • 1 / 5 ( 1 vote )

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



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.

Смерчи и торнадо считаются самыми опасными природными бедствиями для всех живых существ. Торнадо досконально изучено, но никто до сих пор не научился спасаться и усмирять это бедствие. По мнению ученых торнадо происходят ежегодно и их количество неуклонно растет. Причиной этого могут быть постоянные климатические изменения, а также ухудшение экологии планеты.

Каждое существо и предмет, попавший туда, через некоторое время будет выброшен с огромной высоты и в абсолютно другом месте. Также огромную опасность представляют предметы, прилетевшие из смерча. Даже дома не являются защитой, сильные воздушные потоки могут запросто снести постройку, затягивая массу обломков внутрь.

Что означает слово «торнадо»?


Больше всего явление происходит на североамериканских территориях. Именно оттуда бедствия берут свое название. На испанском языке «торнадо» имеет значение «вращающийся». Вихри ветра стали называться торнадо испанскими колонистами, прибывшими покорять новые территории.

На территориях России явление называлось привычным смерчем. Слово происходит со старорусского «смърчь» или «смьрчь», что означает облако. Таким образом, понятия «торнадо» и «смерч» являются синонимами. Они описывают одно и то же явление.

Интересный факт : один раз был зафиксирован случай, когда вихрь унес тяжелый поезд, весом в 80 тонн. Вихрь оттащил его на 40 метров с путей.

Что представляет собой торнадо и смерч?


В основном смерчи возникают в грозовых тучах. Они представляют собой атмосферные вихри, которые протянулись с небес на землю. Массы воздуха находятся в постоянном движении, формируют собой воронку, затягивающую любой объект на своем пути. Внутренними потоками торнадо притягивается к поверхности, наружные же поднимаются ввысь. Таким образом, внутри смерча воздух сильно разряжен.

Все объекты, попадающие внутрь торнадо, могут взорваться от одновременного воздействия разного давления. В основном такими объектами считаются замкнутые постройки. Торнадо не щадит никого.

К счастью, мало кто из жителей нашей страны знает, что такое смерч. Конечно же, мы не имеем в виду небольшие завихрения, возникающие порой на полях и пустынных дорогах. Речь идет о гигантских атмосферных вихрях, которые, как правило, появляются в грозовом облаке и спускаются практически до самой земной поверхности в виде хобота или облачного рукава диаметром в несколько десятков, а то и сотен метров. Несмотря на то, что существуют они недолго, от них можно ожидать немало бед. Давайте рассмотрим поподробнее, что это за явление.

Что такое смерч?

Попробуйте представить себе возникшую из-за разности давления огромную воздушную воронку, которая крутится с невероятной скоростью и втягивает при этом в свой центр все, что оказалось поблизости. В Америке о том, что такое смерч, многие знают не понаслышке. Там это явление принято называть торнадо. Существуют и синонимы: мезо-ураган и тромб, но они употребляются гораздо реже. Вращение внутри такого вихря идет против часовой стрелки, подобно тому, как это происходит в циклонах, возникающих в северном полушарии нашей планеты.

Характеристики смерча

По вертикали одна такая воронка может достигать десяти, а по вертикали - пятидесяти километров. в ней нередко превышает 33 м/с. Рассказывая о том, что такое смерч, следует обязательно отметить, что он обладает невероятной мощью. По оценкам таких экспертов, как А. Ю. Губарь, С. А. Арсеньев и В. Н. Николаевский, энергия среднего торнадо радиусом в километр и скоростью около 70 м/с сопоставима с энергией атомной бомбы, испытанной США в июле 1945 года в Нью-Мексико. По своей форме смерчи бывают не только в виде воронок. Порой торнадо напоминает своим видом бочку, конус, бокал, бичеподобную веревку, колонну, рога дьявола, и т.д. Но чаще всего он возникает в форме трубы, воронки или хобота, который свисает с материнского облака. Взгляните на смерч, фотография которого представлена ниже. Выглядит устрашающе, не так ли?

Порой число жертв таких явлений достигает нескольких сотен человек. Наиболее страшным и известным смерчем за всю историю Америки считается Tristate. Пронесшись 18 марта 1925 года по территории трех Иллинойс, Индиана), он забрал с собой 747 человеческих жизней…

Где появляется смерч и что служит причиной его возникновения?

Торнадо часто формируется на тропосферных фронтах, там, где проходят границы раздела с разными температурой, скоростями и влажностью воздуха. В зоне столкновения холодного и теплого крайне неустойчива и способствует зарождению в материнском облаке торнадо, а ниже нескольких меньших по размеру турбулентных вихрей. Чаще всего это бывает в осенний и весенне-летний период. К примеру, холодные фронты отделяют сухой и холодный воздух из Канады от влажного и теплого воздуха из Атлантического океана или Иногда такое столкновение происходит над морской поверхностью, и тогда появляется морской смерч.

Он может быть почти полностью прозрачным и лишь по нижней, запыленной водой части, можно догадаться о грозящей судну опасности. Смерч бывает не только на Земле, но и на других планетах нашей системы, к примеру, на Юпитере и Нептуне. На Марсе торнадо появиться не может из-за низкого давления и слишком разреженной атмосферы. А вот на Венере ситуация прямо противоположная, и поэтому вероятность появления смерчей там очень высока.