Смерч

Смерч (Торнадо, Тромб) — это атмосферный вихрь, возникающий в грозовом облаке и распространяющийся вниз, часто до самой поверхности земли, в виде облачного рукава или хобота диаметром в десятки и сотни метров. Наличие материнского облака особенно важно. Развитие смерча из облака отличает его от некоторых внешне подобных, и также отличных по природе явлений, например, смерче-вихрей. Обычно поперечный диаметр воронки смерча в нижнем сечении составляет 300—400 м, хотя, если смерч касается поверхности воды, эта величина может составлять всего 20—30 м, а при прохождении воронки над сушей достигать 1,5—3 км. Внутри воронки воздух поднимается, быстро вращаясь, создаётся область сильно разреженного воздуха. Разрежение настолько значительно, что замкнутые наполненные газом предметы, в том числе здания, взрываются изнутри из-за разности давлений. Это явление усиливает разрушения от смерча, затрудняет определение параметров в нем. Определение скорости движения воздуха в воронке до сих пор представляет серьёзную проблему. В основном, оценки этой величины известны из косвенных наблюдений. В зависимости от интенсивности вихря скорость течения в нем может варьироваться. Считается, что она превышает 18 м/с и может, по некоторым косвенным оценкам, достигать 1300 км/ч. Сам смерч перемещается вместе с порождающим его облаком. Это движение может давать скорости в десятки км/ч, обычно 20-60 км/ч. Подсчитано, что энергия обычного смерча радиусом 1 км и средней скоростью 70 м/с сравнима с энергией эталонной атомной бомбы, подобной той, которую взорвали в США во время испытаний «Тринити» в Нью-Мексико 16 июля 1945.Рекордом времени существования смерча можно считать Мэттунский смерч, который 26 мая 1917 года за 7 часов 20 минут прошёл по территории США 500 км, убив 110 человек. Ширина расплывчатой воронки этого смерча составляла 0,4—1 км, внутри неё была видна бичеподобная воронка. Другим знаменитым случаем торнадо является смерч Трех Штатов (Tristate tornado), который 18 марта 1925 года прошёл через штаты Миссури, Иллинойс и Индиана, проделав путь в 350 км за 3,5 часа. Диаметр его расплывчатой воронки колебался от 800 м до 1,6 км.
В Северном полушарии вращение воздуха в смерчах происходит, как правило, против часовой стрелки. Это может быть связано с направлениями взаимных перемещений масс воздуха по сторонам от атмосферного фронта, на котором формируется смерч. Известны и случаи обратного вращения. На соседних со смерчем участках происходит опускание воздуха, в результате чего вихрь замыкается.
В месте контакта основания смерчевой воронки с поверхностью земли или воды может возникать каскад — облако или столб пыли, обломков и поднятых с земли предметов или водяных брызг. При формировании смерча наблюдатель видит, как навстречу опускающейся с неба воронке с земли поднимается каскад, который затем охватывает нижнюю часть воронки. Термин происходит от того, что обломки, поднявшись до некоторой незначительной высоты, не могут уже удерживаться потоком воздуха и падают на землю. Воронку, не касаясь с землёй, может окутывать футляр. Сливаясь, каскад, футляр и материнское облако создают иллюзию более широкой, чем есть на самом деле, смерчевой воронки.
Иногда вихрь, образовавшийся на море называют смерчем, а на суше — торнадо. Атмосферные вихри, аналогичные смерчам, но образующиеся в Европе, называют тромбами. Но чаще все эти три понятия рассматриваются как синонимы.

Механизм образования

Механизм образования смерчей полностью не изучен до сих пор. Можно указать лишь некоторые общие сведения, наиболее характерные для типичных смерчей.
Смерчи в своём развитии проходят три основных стадии. На начальной стадии из грозового облака появляется начальная воронка, висящая над землёй. Холодные слои воздуха, находящиеся непосредственно под облаком устремляются вниз на смену тёплым, которые, в свою очередь поднимаются вверх. (такая неустойчивая система образуется обычно при соединении двух атмосферных фронтов — тёплого и холодного). Потенциальная энергия этой системы, переходит в кинетическую энергию вращательно движения воздуха. Скорость этого движения возрастает, и он приобретает свой классический вид.
Вращательная скорость растёт с течением времени, при этом в центре торнадо воздух начинает интенсивно подниматься вверх. Так протекает вторая стадия существования смерча — стадия сформировавшегося вихря максимальной мощности. Смерч полностью оформляется и движется в различных направлениях.
Завершающая стадия — разрушение вихря. Мощность торнадо ослабевает, воронка сужается и отрывается от поверхности земли, постепенно обратно поднимаясь в материнское облако.
Время существования каждой стадии различно и колеблется от нескольких минут до нескольких часов (в исключительных случаях). Скорость продвижения смерчей также различна, в среднем — 40 — 60 км/ч (в очень редких случаях может достигать 200 км/ч).

Классификация смерчей

Бичеподобные

Это наиболее распространённый тип смерчей. Воронка выглядит гладкой, тонкой, может быть весьма извилистой. Длина воронки значительно превосходит её радиус. Слабые смерчи и опускающиеся на воду смерчевые воронки, как правило, являются бичеподобными смерчами.

Расплывчатые

Выглядят как лохматые, вращающиеся, достигающие земли облака. Иногда диаметр такого смерча даже превосходит его высоту. Все воронки большого диаметра (более 0,5 км) являются расплывчатыми. Обычно это очень мощные вихри, часто составные.

Составные


Могут состоять из двух и более отдельных тромбов вокруг главного центрального смерча. Подобные торнадо могут быть практически любой мощности, однако, чаще всего это очень мощные смерчи. Они наносят значительный ущерб на обширных территориях.

Огненные
Основная статья: Огненный смерч

Это обычные смерчи, порождаемые облаком, образованным в результате сильного пожара или извержения вулкана. Именно такие смерчи впервые были искусственно созданы человеком (опыты Дж. Дессена (Dessens, 1962) в Сахаре, которые продолжались в 1960—1962 гг.).

Волны-убийцы


Волны-убийцы (волны-монстры) — гигантские одиночные волны высотой 20—30 (а иногда и больше) метров, возникающие в океане и обладающие нехарактерным для морских волн поведением.
Не следует путать их с цунами, возникающими в результате землетрясений и набирающими большую высоту лишь на мелководье.
Долгое время блуждающие волны считались вымыслом, так как они не укладывались ни в одну математическую модель возникновения и поведения морских волн (с точки зрения классической океанологии, волны высотой более 20,7 метров существовать в океанах Земли не могут), а также не находилось достаточного количества достоверных свидетельств. Однако, последние исследования в рамках проекта MaxWave («Максимальная волна»), который предусматривал мониторинг поверхности мирового океана с помощью радарных спутников ERS-1 и ERS-2 Европейского космического агентства (ESA), зафиксировали за три недели по всему земному шару более 10 одиночных гигантских волн, высота которых превышала 25 метров. Эти исследования заставляют по-новому рассмотреть причины гибели за прошлые два десятилетия судов такого размера, как контейнеровозы и супертанкеры, включив в число возможных причин и волны-убийцы.
Новый проект получил название Wave Atlas (Атлас волн) и предусматривает составление всемирного атласа наблюдавшихся волн-убийц и статистическую его обработку.
Возможно, причиной возникновения гигантских одиночных волн является движение с некоторой определенной скоростью фронта высокого атмосферного давления в направлении зоны низкого давления (расширение зоны высокого давления), как это описывается в работе Шумилова В. Н. При таком «наступлении» фронта высокого давления возникает явление, почти аналогичное нагону воды на мелководную восточную часть Балтийского моря, когда уровень воды в Неве в Санкт-Петербурге поднимается на несколько метров.

Другой возможной причиной называются интерференционные максимумы при наложении распространяющихся в водной толще волн разной направленности. Наиболее вероятными зонами образования волн в этом случае называются зоны морских течений, так как в них волнения, вызванные неоднородностью течения и неровностями дна, наиболее постоянны и интенсивны. Интересно, что такие волны могут быть как гребнями, так и впадинами, что подтверждается очевидцами. Дальнейшее исследование привлекает эффекты нелинейности в ветровых волнах, способные приводить к образованию небольших групп волн (пакетов) или отдельных волн (солитонов), способных проходить большие расстояния без значительного изменения своей структуры. Подобные пакеты также неоднократно наблюдались на практике. Характерными особенностями таких групп волн, подтверждающими данную теорию, является то, что они движутся независимо от прочего волнения и имеют небольшую ширину (менее 1 км), причем высоты резко спадают по краям.

Прямое моделирование волн-убийц было предпринято в работах В. Е. Захарова, В. И. Дьяченко, Р. В. Шамина.Численно решались уравнения, описывающие нестационарное течение идеальной жидкости со свободной поверхностью. Используя особый вид уравнений, удалось проводить вычисления с большой точностью и на больших временных интервалах. В ходе численных экспериментов были получены характерные профили для волн-убийц, хорошо согласующиеся с экспериментальными данными.

В ходе большой серии вычислительных экспериментов по моделированию динамики поверхностных волн идеальной жидкости, имеющих характерные для океана физические параметры были построены эмпирические функции частот возникновения волн-убийц в зависимости от крутизны (~энергии) и дисперсии начальных данных.