Чтение онлайн

10 июля 1968 годана территории ФРГ зародился сильный смерч, позже названный Форхгеймским(по названию города, где ущерб был наиболее значительным). Он прошел путь длиной 125 километров. В этот период в Германии наблюдались почти субтропические условия: температура превышала 30 °C, относительная влажность — 96 %. На высоте 1500–2000 метров произошло резкое охлаждение воздуха, и холодный воздух, винтообразно закручиваясь, устремился к земле. Смерч оставил после себя 200-метровые лесные заломы, а отдельные населенные пункты уничтожил более чем наполовину. Ветер сносил крыши и выбрасывал из домов мебель. Смерч стал причиной гибели нескольких десятков человек и нанес ущерб в размере 50 млн марок.

Хотя многие качественные свойства смерчей к настоящему времени поняты, точная научная теория, позволяющая путем математических расчетов прогнозировать их характеристики, еще не создана в полной мере. Трудности обусловлены, прежде всего, отсутствием данных измерений физических величин внутри торнадо — средней скорости и направления ветра, давления и плотности воздуха, влажности, скорости и размеров восходящих и нисходящих потоков, температуры, размеров и скорости вращения турбулентных вихрей, их ориентации в пространстве, моментов инерции, моментов импульса и других характеристик движения в зависимости от пространственных координат и времени. В распоряжении ученых есть результаты фото- и киносъемок, словесные описания очевидцев и следы деятельности торнадо, а также результаты радиолокационных наблюдений, но этого недостаточно. Торнадо либо обходит площадки с измерительными приборами, либо ломает и уносит аппаратуру с собой.

Другая трудность состоит в том, что движение воздуха внутри торнадо турбулентно. Смерчи связаны с ме-зомасштабной циклонической циркуляцией в слоях выше смерча, диаметр которой составляет от 2–3 до 50 км, а по высоте она распространяется до 10–12 км. Такой тип циркуляции называют циклон-торнадо.На экране радиолокатора циклон-торнадо имеет вид подковоподобного образования с просветом в центре. Математическое описание и расчет турбулентного хаоса — это сложнейшая и до сих пор в полной мере еще не решенная задача физики. Дифференциальные уравнения, описывающие мезометеорологические процессы, — нелинейные и, в отличие от линейных уравнений, имеют не одно, а много решений, из которых нужно выбрать физически значимое. Только к концу XX века ученые получили в свое распоряжение компьютеры, позволяющие решать задачи мезометеорологии, но и их памяти и быстродействия часто не хватает.

По современным представлениям, структура смерча, достигающего земной поверхности, весьма сложная. В центральной части смерча имеется ядро диаметром 100–150 м или меньше, в котором происходят нисходящие движения воздуха со скоростью до 60–80 м/с. Выхоложенный опускающийся воздух при конвергенции у поверхности Земли увеличивает разрушительную силу смерча и образует его подножие. Вокруг ядра смерча отмечаются восходящие движения воздуха скоростью до 70–90 м/с, в результате которых происходит конденсация водяного пара, что придает смерчу белесоватый цвет, видимый издалека. Когда же смерч вбирает в себя пыль и песок, он становится темным.

В силу малой повторяемости и небольших размеров смерчей крайне редки случаи, когда удается с помощью обычных метеорологических наблюдений измерить характеристики смерча. Поэтому каждый случай непосредственных измерений смерча представляет интерес для выяснения физической сущности его образования.

Теория торнадо и ураганов была предложена С. А. Арсеньевым, А. Ю. Губарем, В. Н. Николаевским. Согласно этой теории, торнадо и смерчи возникают из тихого, со скоростью ветра порядка 1 м/с и размером порядка 1 км мезоантициклона. Он может образоваться, например, в нижней или боковой части грозового облака и заполнен (за исключением центральной области, где воздух спокоен) быстро вращающимися турбулентными вихрями, образующимися в результате конвекции, или неустойчивости, атмосферных течений во фронтальных областях. При определенных значениях начальной энергии и момента импульса турбулентных вихрей на периферии материнского антициклона средняя скорость ветра начинает возрастать и меняет направление вращения, формируя циклон.

Со временем размеры формирующегося торнадо увеличиваются, центральная область (глаз бури)заполняется турбулентными вихрями, а радиус максимальных ветров смещается от периферии к центру торнадо. Давление воздуха в центре начинает падать, формируя типичную депрессионную воронку. Максимальная скорость ветра и минимальное давление в глазу буридостигается через 40 мин 1,1с после начала процесса образования торнадо. Для рассчитанного примера радиус максимальных ветров составляет 3 км при общем размере торнадо 6 км, максимальная скорость ветра равна 137 м/с, а наибольшая аномалия давления (разность между текущим давлением и нормальным атмосферным) составляет 250 мбар. В глазу торнадо,где средняя скорость ветра всегда равна нулю, турбулентные вихри достигают наибольших размеров и скорости вращения. После достижения максимальной скорости ветра торнадо начинает затухать, увеличивая свои размеры. Давление растет, средняя скорость ветра убывает, а турбулентные вихри вырождаются, так что их размеры и скорость вращения уменьшаются. Общее время существования торнадо для рассчитанного учеными примера составляет около двух часов.

Источником энергии, питающим торнадо, являются сильно вращающиеся турбулентные вихри, присутствующие в первоначальном турбулентном потоке.

Полученные в расчетах цифры интересно сравнить с данными наблюдений уже упоминавшегося флоридского торнадо 1935 года класса F-5, который был описан Эрнестом Хемингуэем в памфлете «Кто убил ветеранов войны во Флориде?». Максимальная скорость ветра в этом торнадо оценивалась в 500 км/ч, т. е. 138,8 м/с. Минимальное давление, измеренное метеорологической станцией во Флориде, упало до 560 мм ртутного столба. Аномалия же давления достигла 254,6 мбар.

Предложенная теория позволяет правдоподобно рассчитывать и прогнозировать эволюцию смерчей, однако она выдвигает и немало новых проблем. Согласно этой теории, для возникновения торнадо нужны сильно вращающиеся турбулентные вихри, линейная скорость вращения которых иногда может превышать скорость звука. Существуют ли прямые доказательства наличия гиперзвуковых вихрей, заполняющих возникающий смерч? Прямых измерений скорости ветра в смерчах до сих пор нет, и именно их должны получить будущие исследователи. Косвенные оценки максимальных скоростей ветра внутри торнадо дают положительный ответ на этот вопрос. Они получены специалистами по сопротивлению материалов на основании изучения изгиба и разрушений различных предметов, найденных после смерчей. Например, куриное яйцо было пробито сухим бобом так, что скорлупа яйца вокруг пробоины осталась невредимой, как и при прохождении револьверной пули. Часто наблюдаются случаи, когда мелкая галька пробивает стекло, не оставляя трещин вокруг пробоины.

Документально зафиксированы многочисленные факты пробивания летящими досками деревянных стен домов, других досок, деревьев или даже железных листов. Никакое хрупкое разрушение при этом не наблюдается.

Втыкаются, как иглы в подушку, соломинки или обломки деревьев в различные деревянные предметы (в щепки, кору, деревья, доски). Большие турбулентные вихри имеют размеры немногим меньшие, чем общий размер торнадо, но они могут дробиться, увеличивая скорость вращения за счет уменьшения своих размеров (как фигурист на льду увеличивает скорость вращения, прижимая руки к телу). Огромная центробежная сила выбрасывает из гиперзвуковых турбулентных вихрей воздух, и внутри них возникает область очень низкого давления.

Турбулентные вихри, так же как и сам смерч, обладают очень большой силой и могут поднимать тяжелые предметы. Например, смерч 23 августа 1953 годав городе Ростове Ярославской области поднял и отбросил в сторону на 12 м раму от грузового автомобиля весом более тонны. Смерчи ломают деревья и телеграфные столбы, как спички, срывают с фундаментов и затем буквально разрывают дома, опрокидывают поезда, срезают грунт с поверхности и могут полностью высосать колодец, небольшой участок реки или океана, пруд или озеро. Именно поэтому после смерчей иногда наблюдаются дожди из рыб, лягушек, медуз, устриц, черепах и других обитателей водной среды. А в деревне Мещеры Горьковской области 17 июля 1940 годаво время грозы выпал дождь из старинных серебряных монет XVI века. Скорее всего, они были извлечены из клада, зарытого не слишком глубоко в землю и вскрытого смерчем.

Турбулентные вихри и нисходящие потоки воздуха в центральной области смерча вдавливают в землю людей, животных, различные предметы, растения. Новосибирский ученый Л. Н. Гутман доказал, что в самом центре смерча может существовать очень узкая и сильная струя воздуха, направленная вниз, а на периферии смерча вертикальная составляющая средней скорости ветра направлена вверх.

С турбулентными вихрями связаны и другие физические явления, сопровождающие смерчи. Генерация звука, слышимого как шипение, свист или грохот, обычна для этого явления природы. Свидетели отмечают, что в непосредственной близости от смерча сила звука очень сильна, но при удалении смерча она быстро убывает. Это означает, что в смерчах турбулентные вихри генерируют звук высокой частоты, быстро затухающий с расстоянием, так как коэффициент поглощения звуковых волн в воздухе обратно пропорционален квадрату частоты и растет при ее увеличении. Вполне возможно, что сильные звуковые волны в смерче частично выходят за частотный диапазон слышимости человеческого уха (от 16 Гц до 16 кГц), т. е. являются ультразвуком или инфразвуком. Измерения звуковых волн в торнадо отсутствуют, хотя теория порождения звука турбулентными вихрями была создана английским ученым М. Лайтхиллом в 50-х годах прошлого века.