Смерчи и торнадо (стр. 2 из 3)

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.

НЕБОЛЬШОЙ ВОДЯНОЙ СМЕРЧ во Флориде

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.

СФОРМИРОВАВШЕЕСЯ ТОРНАДО накрыло американский поселок

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.

ПРОЗРАЧНОЕ ТОРНАДО. Вихри в нижней части материнского облака сформировали прозрачное торнадо. Коснувшись поверхности земли оно заполнилось пылью и стало видимым

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.