Тропические циклоны, торнадо. (механизм зарождения, причины устойчивости)

Тропические циклоны, как и внетропические, возникают при неустойчивости атмосферы, наличии зоны низкого давления, окружённой воздушными массами с нормальным или повышенным давлением (антициклонами). Такая ситуация возникает при нагревании воздуха на значительной территории, что понижает его плотность и, соответственно, атмосферное давление. Насыщение воздуха влагой хоть и незначительно, но тоже понижает плотность воздушной смеси. Возникающие локальные воздушные потоки, ориентируясь в направлении постоянных атмосферных потоков и под воздействием сил Кориолиса, начинают закручиваться в спираль. Чередующиеся участки холодного и тёплого воздуха, разделённые фронтами, по этой спирали начинают втягиваться в образовавшуюся зону пониженного давления. Так возникают циклоны. Тёплый влажный воздух при этом поднимается вверх, преодолевает точку росы, выделяет теплоту конденсации и продолжает двигаться вверх, отклоняясь и расходясь по сторонам.

Тропический циклон (буря, шторм, ураган, тайфун) имеет меньшие размеры (100-300 км), чем внетропический, но за счёт больших скоростей (до 50-100 м/сек) может вызвать катастрофические разрушения. Воздушные потоки, двигаясь по спирали вверх, образуют так называемый глаз бури - область затишья без облаков размером 10-20 км. Возникают тропические циклоны над водной поверхностью в широтах от 5 до 20 градусов чаще летом и осенью.

Когда циклон уже набрал силу, непрерывное пополнение энергии происходит за счет подъёма больших масс теплого воздуха и скрытой теплоты конденсации. Однако возникают вопросы по поводу механизма зарождения циклона. Локальные перепады температуры и давления в тропиках не настолько велики, чтобы только эти факторы могли сыграть решающую роль в возникновении циклона, столь значительно ускорить воздушные потоки.

Вероятно, в районе зарождения тропического циклона складывается следующая ситуация. Отсутствие сколько-нибудь существенных движений воздушных потоков (так называемое "затишье перед бурей") создаёт условия для прогревания воздуха и насыщения его влагой над водной поверхностью. Постепенно влажный тёплый воздух поднимается на всё большую высоту. Расширяясь и охлаждаясь, влажный воздух достигает точки росы и в условиях безветрия остаётся в состоянии переохлаждённого пара, продолжая всё больше охлаждаться (тем самым создаются условия для лавинообразной конденсации за счёт нейтрализации охлаждённым воздухом скрытой теплоты конденсации). Недостаточное количество центров конденсации (пылинок, солевых частиц) здесь тоже имеет значение. Нарушить это неустойчивое состояние может даже незначительный поток воздуха. Начавшийся процесс конденсации вызывает резкое локальное понижение давления. Туда устремляются уже более быстрые потоки, всё более ускоряя процесс конденсации, вовлекая всё новые и новые воздушные массы с переохлаждённым паром. Затишье вдруг сменяется шквалистым ветром, причину которого невозможно было бы объяснить только подъёмом тёплого влажного воздуха. Когда тропический циклон уже сформируется, перепады температуры и давления на разных высотах и процессы выделения скрытой теплоты конденсации (то есть вся запасённая потенциальная энергия) будут играть уже существенную роль в развитии циклона.

В районе действия циклона часто возникают маломасштабные вихри. В США, где наиболее часто случается это явление, их называют торнадо, в Европе – тромбами. Над водной поверхностью этот вихрь часто называют смерчем. Так же он называется в регионах, где встречается значительно реже. В раскалённых солнцем пустынях, например, в пустыне Сахаре в Египте, часто наблюдаются песчаные вихри.

Обычно, на границе фронтов, холодный воздух, сталкиваясь с тёплым, вытесняет его в верхние слои. Это может происходить и на периферии циклона. Таким образом, область переохлаждённого пара может протянуться и вдоль границы фронтов. При резком падении давления в этой области образуются локальные вихри (мезоциклоны), которые могут перерасти в торнадо (смерч, тромб). Судя по всему, через воронку (рукав, хобот) при её продвижении вдоль границы фронтов, в область конденсации (и низкого давления) поступает быстрый поток воздуха, а так как процесс конденсации не прекращается, захватывая всё новые области, и быстрым потоком воздуха только усиливается - это объясняет устойчивость торнадо. Сконденсированные внутри воронки пары воды в виде тумана (и частицы пыли) забрасываются в область неустойчивости (конденсации) и служат дополнительными центрами конденсации. Торнадо сопровождаются грозами, проливным дождём, градом.

Быстрое вращательное движение воздуха (до 100 м/сек и более) в виде вихря-воронки диаметром до 200м и более создаёт за счёт центробежных сил разрежение воздуха внутри этой воронки. Это обеспечивает всасывание больших объёмов воздуха в отдалении от зоны конденсации и на всём протяжении воронки с ориентацией к земной поверхности, где плотность воздуха выше. Вихрь торнадо ещё можно представить в виде длинного цилиндрического сита, в котором необходимый поток воздуха обеспечивается большой площадью всасывания.

Круговое движение воздуха в стенках воронки и поступательное вверх внутри воронки - в обоих случаях ламинарное (слоистое, струйное течение), иначе оно не достигло бы таких больших скоростей. Например, в верхних слоях атмосферы наблюдаются крупномасштабные струйные течения, достигающие 100 м/сек, связанные с градиентом температуры и давления на границе дня и ночи.

Турбулентность в вихре-воронке возникает на границе разнонаправленных ламинарных потоков и усиливается ещё и тем, что воздух из быстро вращающихся стенок поступает вовнутрь и сталкивается с направленными вверх потоками, которые тоже движутся по спирали, но с гораздо меньшей радиальной скоростью.

Вращающаяся воронка действует как сепаратор, отделяя лёгкий (внутренний) воздух от тяжёлого (внешнего). Воздух, движущийся в стенках воронки, имеет промежуточную плотность.

Кинетическая энергия вихревых потоков возникает за счёт кинетической энергии движущегося вверх воздуха внутри торнадо. Передача энергии происходит в момент поступления вовнутрь новой порции воздуха. Условно этот процесс можно разделить на две фазы.

Инерционная фаза.
При соприкосновении ламинарного (внутри стенок вихря) потока с зоной турбулентности образуется локальный вихрь (рис.1), который ещё продолжает двигаться внутри стенки со скоростью ламинарных потоков (и вращается вокруг собственной оси), но уже касаясь зоны турбулентности. Этот локальный вихрь как колесо катится по границе турбулентности, оставляя там (в зоне турбулентности) из-за трения часть потерявшего свою скорость воздушного потока. Оставшаяся часть локального вихря может возвратиться в ламинарный (вовнутрь стенок вихря) поток с удвоенной скоростью (как верхняя часть колеса, имеющая при качении удвоенную скорость), тем самым, возвращая и часть кинетической энергии обратно в вихрь-воронку.
[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]
Рис.1.
Инерционная фаза (поперечное сечение вихревой воронки). Стрелка указывает направление движения в стенке воронки; точками обозначены воздушные потоки вверх внутри воронки

А - локальный вихрь (в месте расположения стрелки возможно удвоение скорости);
Т - зоны турбулентности (на границе воздушных потоков).


Энергетическая фаза.
В месте сброса вовнутрь (всасывания) части воздушного потока из стенки воронки, возникает турбулентность с разнонаправленными вихрями, возможно, частично опоясывающая (по ходу вращения вихря-воронки) внутренний столб движущегося вверх воздуха. Для простоты представим эту турбулентность в виде шара с разнонаправленными вихрями (рис.2).
[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]
Рис.2.
Энергетическая фаза (поперечное сечение вихревой воронки). Стрелка указывает направление движения в стенке воронки.
Точками обозначены воздушные потоки вверх внутри воронки;

А - турбулентно-вихревые образования на границе потоков, "выступ" вызывает ускорение воздушных потоков;
Т - зоны турбулентности (на границе воздушных потоков).


Находясь большей своей частью внутри воронки, эти турбулентно-вихревые образования, увлекаемые внутренними воздушными потоками вверх, внедряются меньшей своей частью в стенку воронки. Но так как скорость воздушных потоков внутри стенки вихря-воронки очень высока, то эти потоки огибают образовавшийся "выступ", ускоряются, как над крылом самолёта, и этот дополнительный импульс передаётся соседним воздушным потокам, тем самым ускоряя вихрь в целом. Таким образом, часть кинетической энергии воздушного потока, движущегося вверх внутри воронки, с помощью силы упругих "выступов" - непосредственно в зоне взаимодействия - передаётся вихревому движению.

Удлинение вихря можно объяснить тем, что на конце воронки образуется более мощный вихрь всасывающегося воздуха, который ориентируется в горизонтальной плоскости (то есть так же, как и вихри, составляющие стенку воронки, но с более сильным воздушным потоком). За счёт этой энергии и происходит раскручивание и удлинение концевой части воронки. При соприкосновении с землёй или водной поверхностью этот концевой вихрь начинает ориентироваться вверх, образуя каскад брызг и пыли.

Часто наблюдается удержание воронкой тяжёлых предметов и перенос их на большие расстояния. Вероятно, предмет, находящийся внутри воронки, при соприкосновении с внутренней стороной вращающейся стенки получает сильный поступательный или вращательный импульс, то есть всякий раз отскакивая от стенок воронки вовнутрь, подхватывается внутренним воздушным потоком и продвигается вверх.

Детальное изучение физических процессов и метеорологии тропических циклонов, торнадо затруднено их разрушительным действием, грозами. Однако, по ряду факторов можно дать метеопрогноз, оценить вероятность возникновения стихии или предсказать направление движения уже возникшей стихии, что тоже очень важно.

Обнаружив значительную массу воздуха с переохлаждённым водяным паром (на уровне верхней атмосферы и в тропосфере), можно с большой вероятностью ожидать перерастания в этом месте депрессии в циклон. Можно попытаться и предотвратить зарождение вихря. Например, заранее применяя на этом участке реагенты, ускоряющие процесс конденсации (твёрдую углекислоту, йодистое серебро), можно снизить вероятность возникновения лавинообразной конденсации и следовательно, снизить вероятность зарождения тропического циклона. Таким же способом можно предотвратить зарождение торнадо или ослабить уже усилившееся торнадо - то есть обрабатывать участки с наиболее высокой степенью переохлаждённости водяных паров. Это и есть наиболее вероятное направление движения торнадо – вдоль фронта, по границе холодных и тёплых воздушных масс.

Шкала Фуджиты с шестью категориями F0-F5 для классификации американских торнадо введена профессором Теодором Фуджитой из Чикагского университета в 1971 г. Категория F1 по шкале Фуджиты соответствует 12 баллам по шкале Бофорта (32 м/с, ураган). Фуджита также ввел категории F6-F12 (от 142 м/с до скорости звука), видимо, на всякий случай. Но никогда зафиксированная скорость ветра в торнадо не превышала категории F5, предполагается, что таких торнадо на нашей планете наблюдаться не будет. Иное дело — другие планеты Солнечной системы, обладающие атмосферой, например, Марс, где тоже зафиксированы торнадо.

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]