Тарасов Л.В. - Ветры и грозы в атмосфере Земли (1109048), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Он поднимает на десятки и даже сотни метров тяжелые объекты (людей, животных, автомобили, крыши домов) и отбрасывает их в сторону или переносит на некоторое расстояние, которое тем больше, чем легче объект. Песок, камни и относительно мелкие предметы втягиваются смерчем внутрь материнского облака и выпадают затем оттуда после того, как смерч истошит свою энергию. Смерч может полностью высосать пруд или относительно небольшое озеро, оголить на время дно реки. Все это указывает на то, что область внутри смерча является зоной глубокой депрессии и характеризуется мощными вихревыми двихсениями, направленными по винтовой линии от земной поверхности к материнскому облаку.
То, что область внутри смерча имеет значительно более низкое давление по сравнению с давлением вне этой области, подтверждается характером разрушений домов, задетых смерчем. Они взрываются изнутри. В момент прохождения смерча давление воздуха внугри дома внезапно становится сушественно больше, чем давление снаружи (т. е, давление внутри смерча).
Возникновение резкого перепада давлений разрывает дом (иначе говоря, взрывает его изнутри). Но одного лишь низкого давления в смерче недостаточно, чтобы он мог действовать подобно мошной вытяжной трубе. Сам по себе перепад давлений не смог бы поднять воду по трубе смерча выше 1О м (напомним известный опыт Торричелли). Для подъема воды (и не только ее) на высоту материнского облака необходимо мощное восходящее вихревое двизкение воздушной массы внутри трубы смерча. Как можно судить об огромной скорости вихря внутри смерча? В настояшее время предпринимаются попытки локационных измерений этих скоростей.
Они подтверждают значения скорости порядка 100 м/с. Но еше до этих исследований было установлено, что скорости могут быть в полтора-два раза больше. Такие данные получили специалисты по сопротивлению материалов, изучавшие изгибы и разрушения различных предметов, «обработанных» смерчем. ).7. Смерчи <тромбы, торнадо) 105 Вот, например, куриное яйцо пробито сухим бобом так, что скорлупа вокруг пробоины осталась невредимой, как при прохождении револьверной пули. Часто наблюдались случаи, когда мелкая галька проходила через оконные стекла, не нанося иных повреждений кроме пробоин. Известны многочисленные факты пробивания летящими досками деревянных стен домов, досок и даже железных листов. Соломинки втыкались как иглы в подушку в различные деревянные предметы (доску, дерево, щепку).
Все подобные случаи указывают на то, что скорость ветров в смерчах может быть более 200 м/с. Следует обратить внимание на то, что область произведенных смерчем разрушений нередко оказывается четко отграниченной. Известен случай, когда налетевший смерч поднял в воздух корову, а женшина, доившая ее, так и осталась сидеть на месте, а возле нее стояло ведро с молоком. Подобных удивительных случаев наблюдалось немало. Из двух находящихся рядом объектов один уносится смерчем, а другой оставался совершенно невредимым.
Это означает, что вихри в смерче весьма четко локализованы. Вне стенки смерча, снаружи„они отсутствуют. Таковы обычные смерчи, их называют гладкими смерчами. Заметно реже появляются расплывчатые смерчи, обладающие нерезкими, расплывчатыми очертаниями. Но оставим разрушения, производимые смерчами, и познакомимся с наблюдениями самих смерчей, сделанными очевидцами. Сохранилось, например, описание смерча, возникшего на окраине Москвы в июне !904 гл «Огромная грозовая туча надвинулась, и наступили сумерки.
На нижней поверхности тучи беспорядочно двигались небольшие светлые облака. Постепенно в этих беспорядочных движениях стало проявляться вращение значительной массы облака вокруг общего центра. С земли поднялась пыль и вместе с травой и листьями, крутясь, устремилась вверх, к этому центру. Вдруг из тучи свесилась серая остроконечная воронка, которая быстро увеличилась в размерах и отвисла к земле. Еше немного, и окончание воронки соединилось с вершиной столба пыли, поднимавшегося с земли навстречу воронке.
Образовалась колонна смерча, протянувшаяся от тучи до земли. В воздух полетели обломки строений и сломанные деревья. Начался сильный дождь», Заслуживают внимания свидетельства редких случайных наблюдателей, над головой которых прошел, не касаясь земли, хобот смерча. В штате Канзас в США в 1930 г. невольно оказался таким наблюдателем один из фермеров. Вот как он писал позднее: «Конец воронки 106 Глава Л Циркуляция воздушних масс в атмосфере повис прямо над моей головой. Из конца воронки шел гудяший звук.
Я взглянул вверх и к своему удивлению, увидел само сердце смерча. В его середине быпа полость диаметром 30 — 70 м, которая шла кверху на расстояние около километра. Стены полости были образованы вращающимися облаками, а сама она была освещена блеском молний, перескакиваюших с одной части стены на другую. Полость казалась пустой„,» А вот свидетельство другого наблюдателя, случайно оказавшегося под воронкой смерча (штат Техас, 1951 г.); «Воронка прошла в шести метрах над моей головой. Ширина внутренней полости была около 150 м, толщина стенки — всего 3 м. Стенка быстро врашалась.
Вращение было видно до самого верха и, очевидно, уходило в тучу. Когда смерч прошел надо мной и, опустившись, коснулся дома соседа, он в одно мгновение смахнул его», Обратим внимание: внутри смерча могут сверкать молнии. Они бывают многочисленными и отличаются разнообразием, могут иметь вид изогнутых светяшихся поверхностей. Иногда они окружают смерч.
Иногда вся его поверхность светится желтоватым сиянием. Неоднократно в смерчах наблюдались шаровые молнии. Установлено, что смерчи в одном и том же полушарии вращаются в одних случаях против часовой стрелки, а в других — по часовой стрелке. Отсюда следует, что возникновение вихревого движения в смерчах не связано с врашением Земли вокруг своей оси (в отличие от циркуляций воздушных масс в тропических и внетропических циклонах). Это вполне естественно — ведь смерч представляет собой локальный вихрь. Наконец, отметим, что появление смерчей часто сопровождается выпадением не только дождя, но и града, притом очень крупного.
Неоднократно наблюдались градины, имеюшие в поперечнике до 30 см. Нетрудно подсчитать, что подобная градина должна иметь массу до 15 кг. Был случай, когда внутри одной гигантской градины оказалась черепаха размерами 5 х 15 х 20 см. Развитие смерча и его строение На предварительной стадии развития смерча начинается врашение воздушно-водяной массы в нижней части материнского облака. Врашение происходит вокруг некоторой вертикальной оси, проходяшей через центральную часть облака.
Оно приводит к 1.7. Смерчи (тромбы, торнадо) 3~~. 107 тому, что вследствие центробежного эффекта уменьшается плотность в приосевой области и падает давление. Давление оказывается ниже приповерхностного атмосферного давления, и поэтому возникает воздушный поток от поверхности к облаку, имеющий характер восходящих вихрей, кружашихся в том же направлении, что и нижняя часть облака. Вихри поднимают в воздух много пыли, песка, травы, мелких камней. Это можно видеть на рис. 1.48. Подчеркнем: вращение нижней части материнского облака является первопричиной последующих движений воздушных масс, в результате которых сформируется сначала воронка смерча, а затем и хобот, контактируюший с земной поверхностью (сушей или морем).
Рис. 1Ай Рассмотрим два этапа в развитии смерча. На первом этапе формируется врашаюшаяся вокруг вертикальной оси воронка, провисающая из материнского облака (рис. 1.49, а). Провисание обусловлено постепенным накоплением в нижней части облака водяных капель. Плотность воздушно-водяной среды может составлять 5 кг/м' и более, что в четыре и более раз превышает плотность сухого воздуха. Почему же эта воздушно-водяная масса не падает на землю? Потому, что этому препятствует сила электростатического притяжения, поскольку верхняя часть грозового облака заряжена положительно, а нижняя отрицательно.
Итак, на первом этапе развития смерча воз- 108 Глава 1 Циркуляция воздушных масс в атмосфере никает вращающаяся вокруг вертикальной оси воздушно-водяная воронка, к которой поднимаются от поверхности земли воздушные вихри, вращающиеся в таком же направлении. Рис. 1.49 По мере новых поступлений из глубины облака масса вращающейся воронки возрастает, и сила тяжести, преодолевая силу электростатического взаимодействия, начинает вытягивать воронку вниз и формировать хобот смерча. Наступает момент, когда электростатическое взаимодействие оказывается недостаточным, и тогда вся воздушно-водяная масса вытянувшейся воронки, продолжая вращаться, обрушивается на землю — начинается второй этап в развитии смерча.
Его можно назвать этапом сформировавшегося смерча. Он представлен на рис. 1.49, б, где хобот изображен в виде цилиндрической колонны, соединившей нижнюю часть материнского облака с поверхностью. Пропорции на рисунке не соблюдены. На рис. 1.49, б продемонстрировано строение смерча. Смерч состоит из периферийной области (ее называют стенкой) и внутренней области (ее называют ядром смерча). Внутренняя область заполнена восходящим воздушным вихрем, захватывающим с земной поверхности воду, пыль, песок и различные предметы. Этот вихрь может пронизывать материнское облако, поднимаясь до !О км и выше. Что же касается стенки смерча, то она представляет собой пространственно локализованный нисходящий воздушно-водяной вихрь. Диаметр смерча варьируется от 30 м до 1 км, при этом толщина стенки составляет 3 — 5 м.
1 7. Смерчи <тромбы, торнадо) 109 Итак, с точки зрения физика смерч представляет собой двоиной вихрь — внутренний восходящий воздушный (менее плотный) и обнимающий его внешний нисходящий воздушно-водяной (более плотный). С точки зрения метеоролога смерч — своеобразная форма существования осадков.
Ее можно назвать скрученным дождем. Этот скрученный дождь является дополнением к обычному дождю, идущему из грозового облака. Заметим, что часто наблюдаемое при появлении смерча выпадение крупного града имеет простое объяснение. Как уже отмечалось, восходящий воздушный вихрь может подниматься к вершине материнского облака. Там водяные пары превращаются в льдинки. Эти льдинки могут удерживаться в вышине достаточно долго, ноддерживаемые восходящим вихрем, который, собственно говоря, и породил их в процессе конденсации. Находясь относительно долго у вершины облака, льдинки наращивают массу, превращаясь в крупные градины.
Рано или поздно зти градины опустятся в нижнюю часть облака и упадут на землю. Нетрудно оценить плотность р воздушно-водяной стенки смерча. На рис. 1.50 2Г выделен небольшой объем стенки, равный Яд, где д — толщина стенки; з — плошадь боковой поверхности выделенного объема. ! Итак, мысленно выделим фрагмент стенки смерча массой т = зар. Фрагмент — это «кусочек» вихря, он движется по окружности радиусом г со скоростью о, т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
