Реферат
на тему:
Смерчі і торнадо
Смерч (синоніми – торнадо, тромб, мезо-ураган) – це дуже сильний
обертовий вихор з розмірами по горизонталі менш 50 км і по вертикалі
менш 10 км, що володіє ураганними швидкостями вітру більш 33 м/с.
Енергія типового смерчу радіусом 1 км і середньою швидкістю 70 м/с, по
оцінках С.А.Арсеньєва, А.Ю.Губаря і В.Н.Миколаївського, дорівнює енергії
еталонної атомної бомби в 20 кілотонн тротилу, подібній першій атомній
бомбі, висадженої США під час іспитів «Трініті» у Нью-Мексико 16 липня
1945. Форма смерчів може бути різноманітною – колона, конус, келих,
бочка, бичеподібна мотузка, пісковий годинник, роги «диявола» і т.п.,
але найчастіше смерчі мають форму обертового хобота, труби або лійки, що
звисає з материнської хмари (звідси і їхньої назви: tromb- по французьки
труба і tornado – по іспанськи – обертовий). Нижче на фотографіях
показані три смерчі в США: у формі хобота, колони і стовпа в момент
торкання ними поверхні землі, покритою травою (вторинна хмара у виді
каскаду пилу поблизу поверхні землі не утвориться). Обертання в смерчах
відбувається проти годинникової стрілки, як і в циклонах північної
півкулі Землі.
У фізику атмосфери смерчі відносять до мезо-масштабних циклонів і їх
потрібно відрізняти від синоптичних циклонів середніх широт (з розмірами
1500–2000 км) і тропічних циклонів (з розмірами 300–700 км).
Мезо-масштабні циклони (від грецького meso – проміжний) відносяться до
середини діапазону між турбулентними вихорами з розмірами порядку 1000 м
і менш і тропічними циклонами, що утворюються в зоні конвергенції
(сходження) пасатів на 5-ом градусі північної широти і вище, аж до 30-го
градуса широти. У деяких тропічних циклонах вітер досягає ураганної
швидкості 33 м/с і більш (до 100 м/c) і тоді вони перетворюються в
тайфуни Тихого океану, урагани Атлантики або віллі-віллі Австралії.
ТИПІЧНІ СМЕРЧІ
НЕВЕЛИКИЙ ВОДЯНИЙ СМЕРЧ у Флориді
Тайфун – китайське слово, воно переводиться як «вітер, що б’є».
Ураган – це транслітероване в українську мову англійське слово hurricane
У великих синоптичних циклонах середніх широт вітер досягає штормової
швидкості (від 15 до 33 м/с), але іноді і тут він може стати ураганним,
тобто перевищити межа 33 м/с. Синоптичні циклони утворюються на
зональному атмосферному плині, спрямованому в тропосфері середніх широт
північної півкулі з заходу на схід, як дуже великі планетарні хвилі з
розміром, порівнянним з радіусом Землі (6378 км – екваторіальний
радіус). Планетарні хвилі виникають на обертовій, сферичній Землі і на
інших планетах (наприклад, на Юпітері) під дією зміни сили Коріоліса із
широтою і (або) неоднорідного рельєфу (орографії) поверхні, що
підстилає. Першими важливість планетарних хвиль для прогнозу погоди
усвідомили в 1930-х радянські вчені Е.Н.Блінова і И.А.Кібель, а також
американський учений К.Россбі, тому планетарні хвилі іноді називають
хвилями Блінової – Россбі. Смерчі часто утворюються на тропосферних
фронтах – границях розділу в нижньому 10-кілометровому шарі атмосфери,
що відокремлюють повітряні маси з різними швидкостями вітру,
температурою і вологістю повітря. В області холодного фронту (холодне
повітря натікає на тепле) атмосфера особливо нестійка і формує в
материнській хмарі смерч і нижче його безліч швидких обертових
турбулентних вихрів. Сильні холодні фронти утворюються у весняно-літній
і осінній період. Вони відокремлюють, наприклад, холодне і сухе повітря
з Канади від теплого і вологого повітря з Мексиканської затоки або з
Атлантичного (Тихого) океану над територією США. Відомі випадки
виникнення невеликих смерчів у ясну погоду при відсутності хмар над
перегрітою поверхнею пустелі або океану. Вони можуть бути зовсім
прозорими і лише з нижньою частиною, запиленою піском або водою, робить
їх видимими. Спостерігаються смерчі і на інших планетах Сонячної
системи, наприклад на Нептуні і Юпітері. М.Ф.Іванов, Ф.Ф.Кам’янець,
А.М.Пухів і В.Е.Фортів вивчали утворення торнадо-подібних вихрових
структур в атмосфері Юпітера при падінні на нього осколків комети
Шумейкера – Леви. На Марсі сильні смерчі виникнути не можуть через
розрідженість атмосфери і дуже низького тиску. Навпаки, на Венері
імовірність виникнення могутніх торнадо велика, тому що вона має щільну
атмосферу, відкриту в 1761 М.В.Ломоносовим. На жаль, на Венері суцільний
хмарний шар товщиною близько 20 км ховає її нижні шари для
спостерігачів, що знаходяться на Землі. Радянські автоматичні станції
(АМС) типу Венера й американські АМС типу Піонер і Маринер знайшли на
цій планеті в хмарах вітер до 100м/с при щільності повітря, у 50 разів
перевищуючу щільність повітря на Землі на рівні моря, однак смерчів вони
не спостерігали. Утім час перебування АМС на Венері був коротким і можна
чекати повідомлень про смерчі на Венері в майбутньому. Імовірно, смерчі
на Венері виникають у зоні границі, що відокремлює темну холодну сторону
дуже повільно обертової планети від освітленої і нагрітої Сонцем
сторони. На користь цього припущення говорить відкриття на Венері і
Юпітері грозових блискавок, звичайних супутників смерчів і торнадо на
Землі. Смерчі і торнадо треба відрізняти від шквальних бур, що
утворюються на атмосферних фронтах, що характеризуються швидким
(протягом 15 хвилин) зростанням швидкості вітру до 33 м/с і потім її
убуванням до 1–2 м/с (також у плині 15 хвилин). Шквальні бурі ламають
дерева в лісі, можуть зруйнувати легку будівлю, а на морі можуть навіть
потопити корабель. 19 вересня 1893 броненосець «Русалка» на Балтійському
морі був перекинутий шквалом і відразу ж затонув. Загинуло 178 чоловік
екіпажа. Деякі шквальні бурі, що виникли на холодному фронті, досягають
стадії смерчу, але звичайно вони слабкіші і не утворюють повітряних
лійок. Тиск повітря в циклонах знижено, але в смерчах падіння тиску може
бути дуже сильним, до 666 мбар при нормальному атмосферному тиску
1013,25 мбар. Маса повітря в торнадо обертається навколо загального
центра («ока бурі», де спостерігається затишок) і середня швидкість
вітру може досягати 200 м/c, викликаючи катастрофічні руйнування, часто
з людськими жертвами. Усередині торнадо є більш дрібні турбулентні
вихори, що обертаються зі швидкістю, що перевищує швидкість звуку (320
м/с). З гіперзвуковими турбулентними вихорами зв’язані самі злі і
жорстокі витівки смерчів і торнадо, що розривають людей і тварин на
частини або здирають з них шкіру. Знижений тиск усередині смерчів і
торнадо створює «ефект помпи», тобто втягування навколишнього повітря,
води, пилу і предметів, людей і тварин усередину тромбу. Цей же ефект
призведе до підйому і вибуху будинків, що попадають у депрессійну лійку.
Класичною країною торнадо є США. Наприклад, у 1990 у США зареєстровано
1100 руйнівних смерчів. Торнадо 24 вересня 2001 над футбольним стадіоном
у Коледж паренню у Вашингтоні викликало 3 смерті, ранило кілька людей і
викликало численні руйнування на своєму шляху. Понад 22 000 чоловік
залишилося без електрики. По п’ятибальній класифікації японського
вченого Т.Фуджита ці смерчі відносяться до категорії середніх (F-2 і
F-3). Найбільш сильні смерчі класу F-5 спостерігаються в США. Наприклад,
під час торнадо 2 вересня 1935 у Флориді швидкість вітру досягала 500
км/година, а тиск повітря упала до 569 мм ртутного стовпа. Це торнадо
убило 400 чоловік і викликало повне руйнування будівель у смузі шириною
15–20 км. Флориду не даремно називають краєм смерчів. Тут із травня до
середини жовтня смерчі з’являються щодня. Наприклад, у 1964
зареєстровано 395 смерчів. Не усі з них досягають поверхні Землі і
викликають руйнування. Але деякі, такі як торнадо 1935 року, уражають
своєю силою. Подібні смерчі одержують свої назви, наприклад, торнадо
Трьох Штатів 18 березня 1925. Воно почалося в штаті Міссурі, пройшло по
майже прямому шляху через весь штат Іллінойс і закінчилося в штаті
Індіана. Тривалість смерчу 3,5 години, швидкість руху 100 км/година,
смерч пройшов шлях близько 350 км. За винятком початкової стадії,
торнадо скрізь не відривалося від поверхні Землі і котилося по ній зі
швидкістю кур’єрського потяга у виді чорного, страшного, скажено
обертової хмари. На площі в 164 квадратної милі усі було перетворено в
хаос. Загальне число загиблих – 695 чоловік, важко поранених – 2027
чоловік, збитки на суму близько 40 млн. дол., такі підсумки торнадо
Трьох Штатів. Смерчі часто виникають групами по двох, трьох, а іноді і
більш мезо-циклонов. Наприклад, 3 квітня 1974 виникло більш сотні
смерчів, що лютували в 11 штатах США. Постраждало 24 тисячі родин, а
нанесений збиток оцінений у 70 млн. дол. У штаті Кентуккі один зі
смерчів знищив половину міста Бранденбург, відомі й інші випадки
знищення смерчами невеликих американських міст. Наприклад, 30 травня
1879 два смерчі, що випливали один за одним з інтервалом у 20 хвилин,
знищили провінційне містечко Ірвінг із 300 жителями на півночі штат
Канзас. З Ірвінгським торнадо зв’язано одне з переконливих свідчень
величезної сили смерчів: сталевий міст довжиною 75 м через ріку «Велика
Блакитна» був піднятий у повітря і закручений як мотузка. Залишки моста
були перетворені в щільний компактний згорток сталевих перегородок, ферм
і канатів, розірваних і вигнутих самим фантастичним чином. Цей факт
підтверджує наявність гіперзвукових вихорів усередині торнадо.
Безсумнівно, що швидкість вітру зросла при спуску з високого і
стрімчастого берегу ріки. Метеорологам відомий ефект посилення
синоптичних циклонів після проходження гірських ланцюгів, наприклад
Уральських або Скандинавських гір. Поряд з Ірвінгськими смерчами, 29 і
30 травня 1879 виникли два Дельфоських смерчі на захід Ірвінга і смерч
до південного сходу. Усього в ці два дні, яким передувала дуже суха і
жарка погода в Канзасі, виникло 9 смерчів.
ТИПІЧНІ СМЕРЧІ США
У минулому, смерчі США викликали численні жертви, що було зв’язано зі
слабкою вивченістю цього явища, зараз число жертв від торнадо в США
набагато менше – це результат діяльності вчених, метеорологічної служби
США і спеціального центра по попередженню штормів, що знаходиться в
Оклахомі. Одержавши повідомлення про наближення торнадо, розсудливі
громадяни США спускаються в підземні притулки і це рятує їм життя. Утім
зустрічаються і божевільні люди або навіть «мисливці за торнадо», для
яких це «хоббі» іноді кінчається загибеллю. Смерч у місті Шатурш у
Бангладеш 26 квітня 1989 потрапив у книгу рекордів Гіннеса як
найтрагічніший за всю історію людства. Жителі цього міста, одержавши
попередження про смерч, що насувається, проігнорували його. У результаті
загинуло 1300 чоловік.
Oe0Oyv
dh`„Aa$gd?}?
булентних вихорів, їхньої орієнтації в просторі, моментів інерції,
моментів імпульсу й інших характеристик руху в залежності від
просторових координат і часу). У розпорядженні вчених є результати фото-
і кінозйомок, словесні описи очевидців і сліди діяльності торнадо, а
також результати радіолокаційних спостережень, але цього недостатньо.
Торнадо або обходить площадки з вимірювальними приладами, або ламає і
несе апаратуру із собою. Інші труднощі полягають у тому, що рух повітря
усередині торнадо істотно турбулентно. Математичний опис і розрахунок
турбулентного хаосу – це важка і дотепер повною мірою ще не вирішена
задача фізики. Диференціальні рівняння, що описують мезо-метеорологічні
процеси, – нелінійні і, на відміну від лінійних рівнянь, мають не одне,
а багато рішень, з яких потрібно вибрати фізично значиме. Тільки до
кінця 20 в. вчені одержали у своє розпорядження комп’ютери, що
дозволяють вирішувати задачі мезо-метеорології, але і їхньої пам’яті і
швидкодії часто не вистачає. Теорія торнадо й ураганів була
запропонована Арсеньєвим, А.Ю.Губарем, В.Н.Миколаївським. Відповідно до
цієї теорії торнадо і смерчі виникають з тихого (швидкість вітру порядку
1 м/с) мезо-антициклону (наявного, наприклад, у нижній або бічній
частині грозової хмари) з розміром порядку 1 км, що заповнений (за
винятком центральної області, де повітря спочиває) швидко обертовими
турбулентними вихорами, що утворюються в результаті конвекції або
нестійкості атмосферних плинів у фронтальних областях. При визначених
значеннях початкової енергії і моменту імпульсу турбулентних вихорів на
периферії материнського антициклону середня швидкість вітру починає
зростати і змінює напрямок обертання, формуючи циклон. З перебіг часу
розміри формованого торнадо збільшуються, центральна область («око
бурі») заповнюється турбулентними вихорами, а радіус максимальних вітрів
зміщається від периферії до центра торнадо. Тиск повітря в центрі
торнадо починає падати, формуючи типову депресійну лійку. Максимальна
швидкість вітру і мінімальний тиск в оці бурі досягається через 40
хвилин після початку процесу утворення торнадо. Для розрахованого
приклада радіус максимальних вітрів складає 3 км при загальному розмірі
торнадо 6 км, максимальна швидкість вітру дорівнює 137 м/с, а найбільша
аномалія тиску (різниця між поточним тиском і нормальним атмосферним
тиском) складає – 250 мбар. В оці торнадо, де середня швидкість вітру
завжди дорівнює нулеві, турбулентні вихори досягають найбільших розмірів
і швидкості обертання. Після досягнення максимальної швидкості вітру
торнадо починає загасати, збільшуючи свої розміри. Тиск росте, середня
швидкість вітру убуває, а турбулентні вихори вироджуються, так що їхні
розміри і швидкість обертання зменшуються. Загальний час існування
торнадо для розрахованого С.А.Арсеньєвим, А.Ю.Губарем і
В.Н.Миколаївським приклада складає біля двох годин. Джерелом енергії
торнадо є сильно обертові турбулентні вихори, що є присутніми у
первісному турбулентному потоці. Фактично, у запропонованій теорії є дві
термодинамічне підсистеми – підсистема А відповідає середньому рухові, а
підсистема В містить турбулентні вихри. У розрахунках не враховувалося
надходження нових турбулентних вихрів у торнадо з навколишнього
середовища (наприклад, терміків – спливаючих нагору, що обертаються
конвективних міхурів, що утворюються на перегрітій поверхні Землі), тому
повна система А + В є замкнутою і сумарна кінетична енергія всієї
системи згодом убуває через процеси молекулярного і турбулентного тертя.
Однак, кожна з підсистем є відкритою стосовно іншої і між ними може
відбуватися обмін енергією. Аналіз показує, що якщо значення параметрів
порядку (або, як них називають, критичних чисел подібності, яких у
теорії п’ять) невеликі, те середнє збурювання у виді початкового
антициклона не одержує енергію від турбулентних вихорів і загасає під
дією процесів диссипації (розсіювання енергії). Це рішення відповідає
термодинамічній ситуації – диссипація прагне знищити будь-яке відхилення
від стану рівноваги і змушує термодинамічну систему повернутися до стану
з максимальною ентропією, тобто до спокою (настає стан термодинамічної
смерті). Однак оскільки теорія – нелінійна, те це рішення не єдине і при
досить великих значеннях керуючих параметрів порядку має місце інше
рішення – руху в підсистемі А інтенсифікуються і підсилюються за рахунок
енергії підсистеми В. Виникає типова диссипативна структура у виді
торнадо, що володіє високим ступенем симетрії, але далека від стану
термодинамічної рівноваги. Подібні структури вивчаються термодинамікою
нерівноважних процесів. Наприклад, спіральні хвилі в хімічних реакціях,
відкриті і досліджені росіянами вченими Б.Н.Белоусовым і
А.М.Жаботинським. Інший приклад – виникнення глобальних зональних плинів
в атмосфері Сонця. Вони одержують енергію від конвективних осередків, що
мають набагато менші масштаби. Конвекція на Сонце виникає через
нерівномірне нагрівання по вертикалі. Відповідно до цієї теорії, для
виникнення торнадо потрібні сильно обертові турбулентні вихори, лінійна
швидкість обертання яких іноді може перевищувати швидкість звуку.
Існують – чи прямі докази наявності гіперзвукових вихрів, що заповнюють
виникаючий смерч? Прямих вимірів швидкостей вітру в смерчах дотепер
немає і саме їх повинні одержати майбутні дослідники. Непрямі оцінки
максимальних швидкостей вітру усередині торнадо дають позитивну
відповідь на це питання. Турбулентні вихори, також як і сам смерч,
володіють дуже великою силою і можуть піднімати важкі предмети.
Послідовність процесів, що приводять до утворення торнадо в умовах
нестійко стратифікованої атмосфери, можна розглядати в такий спосіб.
Нехай у зоні впливу активного холодного фронту склалася сильно
нерівновага стратифікація тропосфери: більш холодні і сухі повітряні
маси виявилися над більш тепла і вологими, і нехай інтенсифікація
обертання в конвективной системі грозової хмари в результаті збурення
вітру привела до виникнення мезоциклону і падінню тиску в його
приосьовій області, зв’язаному з дією відцентрових сил. Зниження тиску,
у свою чергу, приводить, з одного боку, до просідання холодного повітря
(просідання верхівки хмари, що породжує смерч, що починається за кілька
хвилин до утворення смерчу, і опускання хмарних меж, коли торнадо-циклон
досягає основи хмари, а з іншого боку — до розвитку процесів конденсації
вологи в приосьовій частині мезоциклону. Ці процеси приводять до
збільшення сил плавучості поблизу утвореної лійки і посиленню конвекції.
Включається також механізм “конвекції другого роду”, коли відносно
холодне повітря периферії мезоциклону витісняє нагору нагріте в
результаті конденсації повітря в приосьовій частині. Інтенсифікація
конвекції, у свою чергу, збільшує горизонтальну конвергенцію і висхідний
потік, що викликає посилення обертання в центрі мезоциклону як за
рахунок адвекції завихрюванності до осі, так і за рахунок механізму
розтягування вихрових ліній.
НИЖНЯ ЧАСТИНА ТОРНАДОГЕННОЇ ХМАРИ (вона заповнена циліндричними
турбулентними вихорами, що рухаються)
Горизонтальні розміри мезоциклону значно більше вертикальних, тому поза
смерчем, що зароджується, його можна розглядати як квазі-двомірну
структуру, у якій завихренність (ротор швидкості) зберігається, потік же
в області смерчу, що зароджується, істотно трьохмірний, тому там можлива
генерація завихрюванності. Таким чином, інтенсифікація обертання веде до
зниження тиску, а зниження тиску — до подальшої інтенсифікації
обертання. Замикається перший виток позитивного зворотного зв’язку. У
результаті зниження тиску збільшується глибина просідання холодного
повітря.Коли стовп холодного повітря досягає поверхні землі, включається
торцовий ефект: вдалині від поверхні радіальний градієнт тиску
врівноважується відцентровими силами:
тут р — тиск; (— густина повітря; v — азимутальний компонент швидкості.
Неохідно знехтувати адвекцією радіального потоку і силами диссипації у
порівнянні з відцентровими силами, а на поверхні, у результаті дії
в’язкості, v = 0. Унаслідок теореми Тейлора-Праудмена, умови якої
виконані для мезоциклону, радіальний градієнт тиску не залежить від
висоти. У результаті виникає радіальний потік, спрямований до осі
обертання, швидкість якого забезпечує поява на поверхні сил тертя, що
компенсують ослаблення відцентрових сил. Так виникає другий виток
позитивного зворотного зв’язку, що приводить до формування смерчу. Ріст
радіального потоку за рахунок торцевого ефекту збільшує концентрацію
завихрюваності і висхідний потік. Це приводить до зниження приосьового
тиску і, отже, до посилення торцевого ефекту. Торнадо-циклон “колапсує”,
у результаті якого в нього утворюється ядро, що обертається з великою
кутовою швидкістю, радіус якого на два порядки менше радіуса
торнадо-циклона. Але тому що зрушення вітру продовжує впливати на
конвективні процеси в осередку хмари, то і після формування смерчу
торнадо-циклон продовжує існувати. При цьому співвідношення між
торнадо-циклоном і смерчем таке ж, як між тропічним циклоном і “оком
бурі”: торнадо-циклон поставляє смерчеві тепле вологе повітря, а смерч
відіграє роль теплової машини, що перетворює тепло конденсації в
кінетичну енергію повітряних потоків. Джерелами енергії для смерчу і
торнадо-циклона служать схована теплота конденсації й енергія
неоднорідного зовнішнього потоку. У чому принципова роль виділення
схованої теплоти конденсації в утворенні смерча? Розглянемо питання про
те, чи досить цієї енергії для формування смерчу. Нехай на 1 кг повітря
конденсується 12 м вологи (різниця між насиченням при температурі Т1 =
25 °С и тиску р1 = 105 Па і насиченням при температурі Т2 = 10 °С и р2 =
8,5Ч104 Па — тиск на границі лійки і на висоті 1,5 км). Оскільки теплота
пароутворення L » 2,5 МДж/кг, теплоємність повітря при постійному тиску
порівн » 1 кдж/(кг 1°), то виділиться ~ 30 кдж/кг, а повітря нагріється
на 30 °С. Оцінюючи КПД теплової машини по формулі Карно (~1/10),
одержуємо, що кінетична енергія в смерчі не може перевищувати 3 кдж/кг,
що відповідає швидкості ~50 м/с. Навіть при такій значній різниці між
температурами повітряних мас і явно завищеному КПД перетворення теплової
енергії в кінетичну модель, в основі якої лежить положення про те, що
схована теплота є основним джерелом енергії смерчу, не описує 30 % усіх
смерчів. Крім того, варто враховувати, що багато торнадо приходяться не
на літній час, тобто Т1, і, отже, відношення суміші (вологовміст) теплої
повітряної маси буде значно менше. Таким чином, ми приходимо до
висновку, що для формування торнадо необхідно додаткове (крім схованого
тепла конденсації) джерело енергії. Очевидно, що більше всього на цю
роль підходить неоднорідність основного потоку.
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
