Метеословник, Белгідромет
| Смерч |
Смерч - сильний вихор, що утворюється під добре розвиненою купово-дощовою хмарою і поширюється у вигляді гігантського темного хмарного стовпа або лійки у напрямку поверхні землі або моря. Діаметр смерчу над водяною поверхнею становить близько 100 м, над сушею до 1000 м. Висота його близько 1000 м.
Смерч над суходолом називається тромбом. В Америці його називають торнадо. Характерною особливістю цих вихорів є швидкий спіралеподібний рух повітря навколо вертикальної осі. Виміряти швидкість цього руху звичайними приладами неможливо, але за характером руйнувань, вироблених такими вихорами, можна встановити, що швидкість руху повітря в них становить 50-100 м/с, а особливо інтенсивних торнадо досягає 250 м/с, причому є велика вертикальна складова швидкості, що дорівнює 70-90 м/с. Внаслідок цього всередині вихору тиск падає на кілька десятків гектопаскалів. Обертання вітру в тромбах і смерчах зазвичай циклонічне, тобто відбувається проти годинникової стрілки, але спостерігалося і антициклонічне обертання (за годинниковою стрілкою), хоча тиск у цих вихорах завжди знижений.
Падіння атмосферного тиску при проходженні тромбу буває настільки великим і швидким, що більш високий тиск усередині будівель не встигає вирівнятися із зовнішнім. Тому будинки, що потрапили в сферу дії тромбу, в результаті раптового зниження зовнішнього тиску ніби вибухають зсередини: з них злітають дахи, вилітають шибки та віконні рами, руйнуються стіни. Тромб ламає або вириває з коренем дерева, прокладаючи в лісах просіки, переносить великі відстані людей і тварин.
У Європі тромби спостерігаються порівняно рідко, переважно у літні спекотні дні у дуже нестійких повітряних масах тропічного походження. У США торнадо відзначаються дуже часто і мають виняткову руйнівну силу.
Додатково.За статтею «СМЕРЧІ І ТОРНАДО» Автор: Сергій Арсеньєв [оригінал статті]
Хоча багато якісних властивостей смерчів до теперішнього часу зрозумілі, точна наукова теорія, що дозволяє шляхом математичних розрахунків прогнозувати їх характеристики, ще повною мірою не створена. Труднощі обумовлені насамперед відсутністю даних вимірювань фізичних величин усередині торнадо (середньої швидкості та напрямки вітру, тиску та щільності повітря, вологості, швидкості та розмірів висхідних та низхідних потоків, температури, розмірів та швидкості обертання турбулентних вихорів, їх орієнтації у просторі, моментів інерції, моментів імпульсу та інших характеристик руху залежно від просторових координат та часу). У розпорядженні вчених є результати фото та кінозйомок, словесні описи очевидців та сліди діяльності торнадо, а також результати радіолокаційних спостережень, але цього замало. Торнадо або обходить майданчики з вимірювальними приладами, або ламає та забирає апаратуру з собою. Інша проблема полягає в тому, що рух повітря всередині торнадо значно турбулентний. Математичний опис та розрахунок турбулентного хаосу – це найскладніше і досі повною мірою ще не вирішене завдання фізики. Диференціальні рівняння, що описують мезометеорологічні процеси, – нелінійні і, на відміну лінійних рівнянь, мають одне, багато рішень, у тому числі потрібно вибрати фізично значуще.
Теорія торнадо та ураганів була запропонована Арсеньєвим, А.Ю.Губарем,В.М.Миколаївським. Відповідно до цієї теорії торнадо і смерчі виникають з тихого (швидкість вітру близько 1 м/с) мезоантициклону (існуючого, наприклад, у нижній або бічній частині грозової хмари) з розміром близько 1 км, який заповнений (за винятком центральної області, де повітря спочиває) турбулентними вихорами, що швидко обертаються, що утворюються в результаті конвекції або нестійкості атмосферних течій у фронтальних областях. При певних значеннях початкової енергії та моменту імпульсу турбулентних вихорів на периферії материнського антициклону середня швидкість вітру починає зростати та змінює напрямок обертання, формуючи циклон. З часом розміри торнадо, що формується, збільшуються, центральна область («око бурі») заповнюється турбулентними вихорами, а радіус максимальних вітрів зміщується від периферії до центру торнадо. Тиск повітря в центрі торнадо починає падати, формуючи типову депресійну вирву. Максимальна швидкість вітру та мінімальний тиск у оці бурі досягається через 40 хвилин 1,1 секунд після початку процесу утворення торнадо. Для розрахованого прикладу радіус максимальних вітрів становить 3 км при загальному розмірі торнадо 6 км, максимальна швидкість вітру дорівнює 137 м/с, а найбільша аномалія тиску (різниця між поточним тиском та нормальним атмосферним тиском) становить – 250 гПа. В оці торнадо, де середня швидкість вітру завжди дорівнює нулю, турбулентні вихори досягають найбільших розмірів та швидкості обертання. Після досягнення максимальної швидкості вітру торнадо починає згасати, збільшуючи розміри. Тиск зростає, середня швидкість вітру зменшується, а турбулентні вихори вироджуються, тому їх розміри і швидкість обертання зменшуються. Загальний час існування торнадо для розрахованого С.А.Арсеньєвим,А.Ю.Губарем та В.М.Миколаївським приклад становить близько двох годин.
Фактично, у запропонованій теорії є дві термодинамічні підсистеми – підсистема «А» відповідає середньому руху, а підсистема «В» містить турбулентні вихори. У розрахунках не враховувалося надходження нових турбулентних вихорів у торнадо з навколишнього середовища (наприклад, терміків – конвективних бульбашок, що спливають вгору, що утворюються на перегрітій поверхні Землі), тому повна система «А» + «В» є замкнутою і сумарна кінетична енергія всієї системи згодом зменшується через процеси молекулярного і турбулентного тертя. Однак, кожна з підсистем є відкритою до іншої і між ними може відбуватися обмін енергією. Аналіз показує, що якщо значення параметрів порядку (або, як їх називають, критичних чисел подібності, яких у теорії п'ять) невеликі, то середнє обурення у вигляді початкового антициклону не отримує енергію від турбулентних вихорів і згасає під дією дисипації (розсіяння) енергії). Це рішення відповідає термодинамічної гілки – диссипація прагне знищити будь-яке відхилення стану рівноваги і змушує термодинамическую систему повернутися до стану з максимальною ентропією, тобто. до спокою (настає стан термодинамічної смерті). Однак оскільки теорія нелінійна, це рішення не єдине і за досить високих значеннях управляючих параметрів порядку має місце інше рішення – рухи в підсистемі «А» інтенсифікуються і посилюються з допомогою енергії підсистеми «В». Виникає типова диссипативна структура у вигляді торнадо, що має високий ступінь симетрії, але далека від термодинамічної рівноваги.
Отримані у розрахунках цифри цікаво порівняти з данимиспостережень Флоридського торнадо 1935 року класу F5. Максимальна швидкість вітру цьому торнадо оцінювалася в 500 км/год, тобто. 138,8 м/с. Мінімальний тиск, виміряний метеорологічною станцією у Флориді, впав до 560 мм ртутного стовпа. Враховуючи, що щільність ртуті 13.596 г/см 3 та прискорення вільного падіння 980,665 м/с 2 легко отримати, що це падіння відповідає значенню 980,665 13,596 56,9 = 758,65 гПа. Аномалія тиску 758,65-1013,25 досягла -254,6 гПа.
Запропонована теорія дозволяє правдоподібно розраховувати та прогнозувати еволюцію смерчів, проте вона висуває чимало нових проблем. Відповідно до цієї теорії, для виникнення торнадо потрібні турбулентні вихори, що сильно обертаються, лінійна швидкість обертання яких іноді може перевищувати швидкість звуку. Чи існують – чи прямі докази наявності гіперзвукових вихорів, що заповнюють смерч? Прямих вимірів швидкостей вітру в смерчах досі немає і саме їх мають отримати майбутні дослідники. Непрямі оцінки максимальних швидкостей вітру всередині торнадо дають позитивну відповідь це питання. Вони отримані фахівцями з опору матеріалів на підставі вивчення вигину та руйнувань різних предметів, знайдених у сліді смерчів. Наприклад, куряче яйце було пробите сухим бобом так, що шкаралупа яйця навколо пробоїни залишилася неушкодженою, як і при проходженні револьверної кулі. Часто спостерігаються випадки, коли дрібні гальки проходять через скло, не пошкоджуючи їх навколо пробоїни. Документально зафіксовано численні факти пробивання дошками, що летять, дерев'яних стін будинків, інших дощок, дерев або навіть залізних листів. Жодної крихкої руйнації при цьому не спостерігається. Встромляються, як голки в подушку, соломинки або уламки дерев у різні дерев'яні предмети (утріски, кору, дерева, дошки).
Великі турбулентні вихори мають трохи менші розміри, ніж загальний розмір торнадо, але вони можуть дробитися, збільшуючи швидкість обертання за рахунок зменшення своїх розмірів (як фігурист на льоду збільшує швидкість обертання, притискаючи руки до тіла). Величезна відцентрова сила викидає з гіперзвукових турбулентних вихорів повітря і всередині них виникає область дуже низького тиску. Багато в смерчах та блискавок. Розряди статичної електрики постійно виникають через тертя швидко рухомих частинок повітря один про одного і що відбувається внаслідок цього електризації повітря.
З турбулентними вихорами пов'язані й інші фізичні явища, що супроводжують смерчі. Генерація звуку, чутного як шипіння, свист чи гуркіт, звичайна цього явища природи. Свідки зазначають, що в безпосередній близькості від смерчу сила звуку жахлива, але при віддаленні від смерчу вона швидко зменшується. Це означає, що в смерчах турбулентні вихори генерують звук високої частоти, що швидко загасає з відстанню, т.к. коефіцієнт поглинання звукових хвиль у повітрі обернено пропорційний квадрату частоти і зростає при її збільшенні. Цілком можливо, що сильні звукові хвилі смерчі частково виходять за частотний діапазон чутності людського вуха (від 16 гц до 16 кгц), тобто. є ультразвуком чи інфразвуком. Вимірювання звукових хвиль у торнадо відсутні, хоча теорія породження звуку турбулентними вихорами була створена англійським ученим М. Лайтхіллом у 1950-х.
