https://fenix-life.ru

Содержание.

1. Причины смерчей или торнадо.

2. Механизмы возникновения смерчей или торнадо.

3. О траектории движения смерча.

4. Изучение смерчей.

Как мы выяснили ранее,  смерч и торнадо это названия одного  явления на языках разных народов. Поэтому будем употреблять их как синонимы.

Причины смерчей, или торнадо.

При слабой изученности смерчей, или торнадо как явления, причины, порождающие их, в общем, понятны. И  причины эти — неустойчивое состояние атмосферы.

Возникают  смерчи в месте соприкосновения и взаимодействия холодных сухих и  теплых влажных воздушных масс, когда холодные воздушные массы располагаются над теплыми. Такое положение является энергетически неустойчивым.

Легкие теплые воздушные массы стремятся вверх, а более плотные холодные — вниз. Смешивание их высвобождает громадную кинетическую энергию.

В месте поднятия восходящих и воздушных потоков образуется вращающееся грозовое облако, так называемая, —  суперячейка (смотрите далее), или материнское облако смерча.

Масштабное взаимопроникновение разнородных воздушных масс сопровождается, также, значительными атмосферными возмущениями, порождающими ветры, грозы, и  вихревые воздушные потоки, которые мы наблюдаем в виде  смерчей.)

Подтверждением сказанному может служить  существование так называемой «аллеи торнадо» на Великих равнинах Среднего Запада США, где существуют благоприятные условия для проникновения и встречи разнородных воздушных масс.

Обширные и прогреваемые равнины позволяют теплым влажным фронтам из Мексиканского залива проникать вглубь континента в северном направлении, где они сталкиваются с холодным и сухим воздухом из Канады и Скалистых гор.  

Над территорией США в год проходит 1000-1200 торнадо и большинство из них возникает  над «аллеей торнадо».

Этими -же причинами объясняется возникновения  разрушительных  смерчей   в «великий вторник» — 5 февраля 2008 года, когда в течении 15 часов на Средний Запад и восточную часть США обрушилось  87 торнадо. Они поражали своей мощностью и проникновением на те территории, где  ранее не наблюдались, или наблюдались редко. А  также тем, что появились они зимой, на два месяца раньше сезона торнадо.

Доктору Джо Шеперу, директору центра прогнозирования гроз в Оклахоме, удалось объяснить причины возникновения катастрофических торнадо «великого вторника».

 Вот эти причины.

В восточной части Тихого океана, у берегов Северной Америки, среди прочих, существуют два океанских течения —  теплое Эль-ниньо и холодное Ла-ниньо, которые периодически меняют свое направление на противоположное.  Зимой 2008 года Ла-ниньо принесло к берегам Америки холодные воды, породившие сильные холодные ветры дующие на Северную Америку.

 

Эти ветры усилили воздушное, так называемое ,«струйное течение», проходящее в тропосфере с запада на восток на стыке арктических и тропических воздушных масс над территорией США, в районе Великих равнин.

Вторая причина. Февраль 2008 года был необычно теплым и принес на равнины Среднего запада США громадные теплые и влажные воздушные массы из Мексиканского залива. Взаимодействие  их с холодным воздухом из Канады образовало особо мощные грозовые фронты.

А необычно мощное струйное течение в «великий вторник» пронеслось над этими грозовыми фронтами, закручивая грозовые облака в суперьячейки и создавая тягу, подобнную тяге в печной трубе, которая вытянула и выбросила в тропосферу громадные массы теплого и влажного воздуха. Это вызвало катастрофическое усиление гроз и рождение мощнейших суперячеек и торнадо.

(Надо заметить, что сделанные американскими учеными прогнозы неутешительны. Наступающее потепление климата может сдвинуть  границу  взаимодействия тропических и арктических воздушных  масс  в тропосфере,  а значит и струйное течение,  дальше на север. Соответственно, сдвинется и граница распространения  торнадо.)

Заслуживает внимания еще одна любопытная гипотеза о причинах возникновения смерчей.

По статистике, смерчи возникают  только в каждой четвертой суперячейке. И, возможно, помимо мощности, роль играет здесь и высота расположения ее над поверхностью земли. Воронка высоко расположенной  суперячейки  не всегда доходит до поверхности земли.

В видеоматериалах о торнадо в США видно, что материнские облака смерчей расположены довольно низко. А нижняя граница облачности зависит, в том числе, от влажности теплого воздуха над поверхностью. Чем выше влажность, тем ниже облачность, а значит больше вероятность возникновения смерчей.

Мощность смерча, также, может зависеть от влажности теплого воздуха.

При поднятии и взаимодействии его с холодными воздушными массами из теплого воздуха происходит конденсация влаги. При этом выделяется тепловая энергия, подогревающая теплые восходящие потоки. Чем больше влажность тем больше конденсация, а значит подогрев и усиление восходящих потоков. Следовательно, чем больше влажность теплого воздуха, тем  мощнее образующаяся суперячейка.

Если с причинами возникновения смерчей или торнадо все, более или менее понятно, то механизмы их возникновения поддаются изучению гораздо хуже.

Механизмы возникновения смерчей или торнадо.

Именно механизмы, ибо их много и результаты их взаимодействия  непредсказуемы.

Изучение их  позволит узнать,  чем и как вызываются завихрения воздушных потоков смерча и что определяет траекторию его движения по земной поверхности. А также что, помимо объемов взаимодействующих воздушных масс, влияет на силу возникшего смерча.

 Может быть, после изучения этих механизмов,  появится возможность прогнозирования торнадо и воздействия на него, с целью минимизации ущерба. А также предсказания траектории его движения.

Как образуется суперячейка порождающая смерч?

При хаотичном поднятии объемов прогретого воздуха над грозовым фронтом образуются моноячейки, состоящие из одного мощного конвективного потока, или мультиячейки, состоящие из нескольких потоков.

Суперячейка (супер — сверх или особо мощная), или материнское облако смерча, образуется из мощной моноячейки. Ее конвективный поток (возможно, возникший из множества мелких потоков), в силу ниже рассматриваемых причин, вовлекается в мощный вихрь.

Размеры такого вихря могут варьировать от нескольких,  до 50 ти километров в диаметре.  Скорость вращения в нем возрастает, из нижней части к земле опускается воронка, возникает смерч, или торнадо.

Направление вращения суперячейки, как и у циклонов в северном полушарии, — против часовой стрелки, в южном — по часовой стрелке.

Поэтому смерч и назвыают мезо-циклоном (мезо — значит промежуточный). Он промежуточный, по размеру, между тропическими циклонами диаметром  300 — 700 км. и турбулентными вихрями диаметром до 1 км. Турбулентные вихри возникают над прогретыми участками земной поверхности в виде песчаных или пыльных вихрей.

Возникает  вопрос — за счет каких сил происходит вращение в восходящих потоках теплого воздуха?  

Сразу заметим, что  единственного и однозначного ответа на этот вопрос  нет. Пока есть предположения.

Например, считается, что возникновение и закручивание вихревых потоков вызвано воздействием силы вращения Земли. Она воздействует на движущееся тело, заставляя его отклоняться от прямолинейной траектории. Сила эта называется силой Кориолиса.

Однако, другие исследователи считают, что сила Кориолиса недостаточна,  для закручивания воздушных масс.

Но, доктор технических наук, профессор Самохвалов В.Н. считает, что с направлением силы Кориолиса совпадают направления  действия некоторых  других сил. Это усиливает ее и позволяет закручивать воздушные потоки. Далее, по его мнению, происходит самоусиление вихревого потока за счет сил самого вихря.

Другие авторы не согласны с преобладающим влиянием силы Кориолиса и предлагают другие гипотезы.

К примеру. При движении в магнитном поле Земли заряженные частицы, возникающие от воздействия на атмосферу солнечного излучения, радиационного фона, или электрических полей, начинают вращаться, вовлекая во вращение близлежащий воздух. Даже простые молекулы воды, в силу своего строения имеющие положительный и отрицательный заряды, взаимодействуют с магнитным полем и вращаются как заряженные частицы.

Или еще одна гипотеза. В грозовом облаке  существует мощный электрический заряд. Основание облака заряжено отрицательно. При движении облака над поверхностью земли на ней возникает наведенный положительный электрический заряд. Между этими зарядами возникает  электрическое поле напряженностью до нескольких десятков миллионов вольт. Оно порождает электрические токи.

По закону Ампера проводники с текущими в них электрическими токами, направленными в одну сторону, притягиваются. По причине такого притяжения потоки заряженных частиц и воздуха смещаются к оси вращения. Диаметр потока уменьшается, отчего скорость вращения его в суперячейке увеличивается.

Появление суперячейки сопровождается мощными грозами. В ней наблюдаются шаровые молнии, свечения различного характера. А в 1965 году американский ученый Джонс обнаружил, в суперячейке действие генератора импульсного электромагнитного излучения. Это излучение начинает генерироваться за 30-90 минут до возникновения смерча. Возможно, что это явление поможет прогнозировать торнадо, в будущем.

По мнению американских ученых, имеет право на существование гипотеза о механизме возникновения торнадо названном — «сдвиг ветра»  (теория образования смерчей Вагнера).

Он возникает при взаимодействии между разнонаправленными, дующими на разных высотах, ветрами. В плоскости соприкосновения этих ветров возникают горизонтальные вращающиеся ветровые трубки.

Восходящими потоками  такие трубки могут подниматься и занимать вертикальное положение в облаке. Далее, та часть трубки, которая вращается против часовой стрелки (в северном полушарии) усиливает свое вращение, вовлекая в него окружающее облако. Образуется суперячейка.

Доктор Джо Шепер считает, что появление мощных торнадо в «великий вторник» вызвано именно «сдвигом ветра». Тогда сверхмощное струйное течение, проносясь над вершинами грозовых фронтов и взаимодействуя с дующими во фронтах ветрами, породило «сдвиг ветра» , который и образовал мощные суперячейки.

О траектории движения смерча.

Какие силы ее формируют? Логично предположить, что это сила ветра, то есть воздушного потока, который переносит систему суперячейка-смерч по направлению своего движения.

Но, на направление движения в воздушном потоке вращающегося тела (суперячейки, в нашем случае) действует еще одна сила – сила Магнуса, открытая немецким ученым Магнусом в 1852 году.  Она направлена поперек движения потока.

Возникает эта сила, когда воздушный поток обтекает вращающееся тело. Со стороны, где поверхность вращающегося тела движется навстречу воздушному потоку, давление повышается. С другой стороны, где движение поверхности тела совпадает с направлением несущего потока, давление понижается. Из-за разности этих давлений возникает сила Магнуса направленная перпендикулярно потоку и выталкивающая вращающееся тело из него.

Этот вывод подтверждается движением циклонов на территорию США.  Именно юго-запад США страдает от тропических ураганов, которые выбрасываются север-восточным пассатом, согласно направлению действия силы Магнуса.

Возможно, что с учетом этой силы можно спрогнозировать траекторию движения смерча, отслеживая направления ветра в каждой отдельной точке нахождения суперячейки.

Изучение смерчей.

Теперь мы видим насколько сложным является вопрос  изучения торнадо, при таком многообразии гипотез о механизмах их возникновения.

Изучение затрудняется сложностью получения измерений и  данных о смерче, потому,  что он разрушает любые приборы с которыми соприкасается. А процессы происходящие в смерче скоротечны и измерения необходимо проводить в быстро меняющейся обстановке.

Здесь большие надежды возлагаются на получение телеметрической информации методами:  сканирования торнадо с помощью радара, тепловой съемки,  измерения электромагнитных излучений,  видеосъемки, космической съемки. Есть надежда на появление измерительных приборов способных работать в торнадо.

Перспективным методом изучения смерчей является метод математического моделирования.

Член-корреспондент РАН Вараксин А.Ю. в своей статье «Воздушные торнадоподобные вихри: математическое моделирование» приводит существующие математические модели вихрей.

Вот лишь некоторые из них.

— Аналитическая модель на основе уравнения Бернулли (зависимость между скоростью и давлением в потоке жидкости).

— Модель на основе уравнения Навье-Стокса (позволяет  предсказывать характеристики сложных вихревых потоков).

— Модель на основе уравнения завихренности (позволяет анализировать возможности развития смерчей).

— Термодинамическая модель Гутмана, модель Курганского и другие.

Эти модели не противоречат друг другу и позволяют изучать определенные механизмы возникновения торнадо. Но когда эти механизмы взаимодействуют одновременно — возникает хаос.

С.А. Арсеньев, доктор физико-математических наук отмечает что:

Точная научная теория, позволяющая прогнозировать их характеристики , еще окончательно не создана и не только из-за отсутствия измерений внутри  торнадо …  движение возхдуха внутри торнадо существенно турбулентно. По сути это турбулентный хаос. А описание хаоса задача в физике до сих пор не решенная… нелинейные, в отличие от линейных уравнений, имеют не одно, а много решений… 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.

Некоторых успехов в компьютерном моделировании торнадо достигли американские ученые.

Доктор Ли Офф, специалист по изучению атмосферы из Университета Висконсина, изучает суперячейки, моделируя их на суперкомпьютере Blue Woters в Университете Иллинойса.  Этот суперкомпьютер позволяет производить до десяти квинталионов операций в секунду.

И компьютерная модель торнадо мощностью EF-5 по шкале Фудзиты, прошедшего   24 мая 2011 года в штате Оклахома , практически, соответствует оригиналу этого  торнадо на местности.

При построении модели в компьютер вводились  данные измерений параметров этого смерча.

При работе Ли Офф наблюдал явление в жизни торнадо, которое он назвал «уличное течение завихренности» (перевод  дословный). При этом, теплый воздух с поверхности земли, в виде ламинарных (незавихренных) потоков, подтягивается к смерчу, поднимается, закручиваясь вокруг него и, приобретая турбулентность, поднимается в облако. Нисходящие холодные потоки опускаются, занимая освободившееся место. Так и происходит взаимопроникновение и смешивание разнородных воздушных масс.

Метод моделирования торнадо на суперкомпьютере имеет большие перспективы. При наличии полных исходных данных модель максимально приблизится к оригиналу.  Это даст толчек изучению причин смерчей, или торнадо и механизмов их образования.