Шквальные бури и смерчи (торнадо)
Шквальные бури и смерчи (торнадо) – это вихри, возникающие в теплое время года на мощных атмосферных фронтах, но, иногда и при особо интенсивной местной циркуляции.
Шквалы – горизонтальные вихри под краем наступающей полосы мощных кучево-дождевых облаков. Ширина шквала отвечает ширине атмосферного фронта и достигает сотен километров. Скорость движения воздуха в вихре складывается со скоростью движения фронта и местами достигает ураганной (до 60–80 м/с). Так образуются шквальные бури или штормы. Их ширина – первые километры, редко до 50 км, длина пути 20–200 км, редко до 700 км, длительность в каждой точке пути – от нескольких до 30 мин. Они сопровождаются мощными ливнями и грозами. Шквалы и местные шквальные бури характерны для всех территорий, охватываемых циклонической деятельностью. Их повторяемость и сезонность зависят от некоторых характеристик сталкивающихся воздушных масс и различны от места к месту. Для европейской части России представительна статистика по Нижегородской области: сезон шквальных бурь – апрель – сентябрь, максимальная повторяемость (более 1 дня из 5) – с 26 мая по 10 июня; число дней за сезон со шквалами быстрее 15 м/с – 18,1; 20 м/с – 9,3; 25 м/с – 2,4; быстрее 30 м/с – 0,8 дня.
Разрушительное воздействие шквалов определяется скоростью ветра, а также грозами и ливневыми наводнениями. На европейской части России одним шквалом могут быть повреждены посевы на площади до нескольких десятков тысяч гектаров, десятки домов и хозяйственных построек с разовым ущербом до нескольких миллионов рублей.
Шквалам подобны потоковые или струевые бури. Они связаны с атмосферными фронтами, но не имеют вертикальной конвективной составляющей, как при шквалах, и создаются потоками воздуха в долинах и по краям возвышенностей. Бури этого типа достигают скорости 40–50 м/с и длятся 12–24 часа, максимум до недели. К их числу принадлежат: новоземельская, новороссийская, адриатическая бора, ороси в Японии, сарма и баргузин на Байкале, мистраль в долине Роны (Франция), трамонтана в Италии, чинук со Скалистых гор в Канаде, хазри вдоль восточного края Кавказа у Каспия и другие местные бури.
Вызванные ими опасные явления разнообразны в зависимости от времени года и местных условий. Назовем некоторые примеры: новороссийская бора зимой – шторм в Цемесской бухте, забрызгивание и обледенение (толщина льда – до 4 м) портовых строений; балхашская бора с хр. Чингиз – зимой буран, летом пыльная буря; фен в Альпах зимой и весной – экстремальное снеготаяние, наводнения, сели, оползни, а при недостаточно высокой температуре воздуха – жестокие бураны и т. д.
Смерч – это восходящий вихрь, состоящий из чрезвычайно быстро вращающегося воздуха, а также частиц влаги, песка, пыли и других взвесей. Он представляет собой быстро вращающуюся воронку, свисающую из кучево-дождевого облака и ниспадающую как «воронкобразное облако».
Смерчи, называемые в Северной Америке торнадо – мощные сконцентрированные вихри с вертикальной осью вращения, порождаемые грозовыми облаками высотой до 12–15 км. Процесс образования смерча протекает иногда лишь за 20–30 мин и начинается с появления восходящей струи теплого влажного воздуха, порождающей особо крупное и высокое грозовое облако. Из него начинается выпадение дождя и града в кольце вокруг восходящей струи. В некоторый момент завеса дождя закручивается в спираль в форме цилиндра или конуса, касающегося земли.
В полном развитии смерч достигает земли и движется по ней, принося большие разрушения. Смерч – это наименьшая по размерам и наибольшая по скорости вращения форма вихревого движения воздуха. Цилиндр (конус) стремится расшириться вследствие центробежной силы, что создает пониженное давление в трубке. Для поддержания смерча требуются продолжение подачи влажного воздуха вверх (что облегчается пониженным давлением в трубе) и определенная плотность вращающейся стенки дождя и града.
Смерчи образуются во многих областях земного шара, как над водной поверхностью, так и над сушей, возникая чаще всего вдоль фронта встречи двух воздушных течений: тёплого и холодного. Начальное условие – мощное грозовое облако и обильные осадки из него достигается при комбинировании тепловой конвекции и поднятия теплого воздуха подтекающим под него клином холодного. Поэтому 90 % смерчей связаны с холодными фронтами, остальные – с экстремально сильной внутримассовой конвекцией.
Среднее время существования смерча – 10–30 мин, а при наилучших условиях подпитки по пути – до 1 ч на Русской равнине, 5 ч в Великобритании, 7,5 ч в США. Смерчи движутся со скоростью атмосферного фронта, на котором они родились (в среднем 50–60 км/ч, редко более 150 км/ч), и проходят путь длиной до 50 км на Русской равнине, 300 км в Великобритании, 500 км в США, в среднем 10–30 км. Средний диаметр смерча у земли – 200–400 м, максимальный зарегистрированный – до 2,5 км, на Русской равнине – до 1 км. Площадь разрушений менее 1 км2, максимум до 400 км2. По силе и площади разрушений крупный долгоживущий смерч сравним с атомной бомбой.
Основная составляющая смерча его воронка, которая представляет собой спиральный вихрь. По существу, это мелкомасштабный ураган. Внутренняя полость воронки – в поперечнике от нескольких метров до нескольких сотен метров – обладает резко пониженным давлением. В стенках смерча движение воздуха направлено по спирали вверх и достигает скорости 200 м/с. Подъём и перенос различных предметов и материалов происходит в стенках смерча, ширина которых колеблется от нескольких метров (у плотных смерчей) до сотен метров (у расплывчатых смерчей). У очень тонких смерчей ширина всей воронки не превышает 3 м, а ширина стенок измеряется десятками сантиметров.
Главное оружие смерча – огромная скорость вращения стенок; измеренные скорости достигали 115 м/с (420 км/ч), рассчитанные по разрушениям – более 300 м/с. Второе оружие – перепад давления от нормального с внешней стороны трубки до половины нормального внутри нее, на расстоянии в несколько метров, которыми измеряется толщина стенки. Удар вращающейся стенки (давление – до десятков тонн на 1 м2) способен разрушить капитальные строения; перепад давления вызывает «взрывы» зданий, к которым прикасается смерч; восходящий поток воздуха (скорость до 70–90 м/с) способен поднять и перенести на значительные расстояния частицы почвы, людей, животных, автомашины, «бомбардировка» поднятыми смерчем предметами опасна для прочных крыш. Большая разность давления между периферией и внутренней частью воронки в связи с возникновением огромной центробежной силы вызывает эффект мощного всасывания всего, что находится на пути смерча.
Смерчи могут отсасывать водоемы (например, пруды-охладители при АЭС); зафиксирован случай, когда смерч, пересекавший р. Рейн, создал на несколько мгновений в речной воде траншею глубиной до дна (до 7 м), шириной 80 м и длиной 600 м, захватив из реки не менее 300 тыс. т воды.
Чаще всего смерч хорошо виден со стороны. Одной из особенностей движения смерча является его прыгание. Холмы, леса, водные бассейны не являются преградой для движения смерча. Чаще всего смерчи подразделяют по строению на плотные (резко ограниченные) и расплывчатые (неясно ограниченные). Кроме того, различают:
- смерчи – пылевые вихри;
- малые смерчи – короткого действия (до километра по длине пути);
- малые смерчи – длительного действия;
- смерчи – ураганные вихри;
- водные смерчи.
В практических целях используется классификация интенсивности смерчей Фуджиты-Пирсона, сходная с шкалой Бофорта:
- классы 0, 1 и 2 – максимальные скорости ветра 18–32, 33–49 и 50–69 м/с, длина пути до 16 км, ширина до 160 м; повреждения отвечают ветру 8–10, 10–12, 2 и 12,2 – 12,5 баллов по шкале Бофорта;
- класс 3 – 70–92 м/с, длина пути 16–51 км, ширина 160–510 м; серьезные разрушения: некоторые здания разрушены полностью, перевернуты автомобили и железнодорожные поезда, большинство деревьев в лесу вырвано с корнем;
- класс 4 – 93–116 м/с, 51–160 км, 510–1600 м; опустошительные повреждения: от домов остались груды обломков, сильно разрушены стальные конструкции, автомобили и поезда отброшены в сторону, с деревьев сорвана кора, в воздухе летят крупные предметы;
- класс 5 – 117–142 м/с, 161–507 км, 1600–5070 м; потрясающие повреждения: сильно повреждены железобетонные конструкции, в воздухе летят предметы размером с автомобиль;
- класс 6 – скорости ветра и другие показатели – еще выше; невообразимые разрушения; в т. ч. вторичные – от падающих тяжелых предметов.
В горизонтальном сечении торнадо представляет ядро, окруженное вихрем, причем имеются точки всасывания, которые движутся вокруг ядра и способны приподнимать железнодорожные вагоны массой до 13 т. Этот эффект соответствует скорости ветра порядка 100 м/с. В пределах торнадо имеются также сильные нисходящие потоки, способные вдавливать в грунт отдельные доски на глубину до 45 см. Средняя скорость движения центра торнадо относительно земли – 27 м/с.
Катастрофические торнадо наблюдаются редко, поэтому для их прогноза затруднительно использовать статистический подход. Обычно ориентируются на то, что торнадо могут возникнуть в любом из тех районов, где они уже происходили раньше, и следует принять соответствующие меры предосторожности. Если ведутся атмосферные наблюдения и если торнадо обнаружен, делается соответствующее предупреждение.
Поскольку вероятность появления торнадо в каком-либо конкретном районе весьма мала при проектировании обычных промышленных и гражданских зданий и сооружений нагрузки от торнадо строительными нормами не учитываются (по экономическим соображениям). Нагрузки от торнадо учитываются при выборе площадок для атомных электростанций как в России, так и за рубежом. При этом учитываются скорость ветра (скоростной напор ветра), изменение атмосферного давления при прохождении торнадо над сооружением, удары летящих предметов.
Разрушения, причиняемые торнадо, как и ураганами, определяются давлением скоростного напора ветрового потока, но, кроме того, взрывным эффектом от быстрого падения давления в центре торнадо. Железобетонные сооружения обычно являются устойчивыми к действию торнадо. Наилучшим укрытием от торнадо являются убежища гражданской обороны, а при их отсутствии – прочные подвалы зданий.
Смерчи распространены повсеместно, где происходят столкновения влажных воздушных масс со значительно более холодными и где зародившиеся вихри могут получать подпитку влагой с подстилающей поверхности в течение хотя бы несколько минут. Этим условиям отвечают равнины и моря в климатических поясах от субэкваториального до умеренного (южнее 60–65° с. ш.), а в их пределах более всего – равнины субтропического пояса США.
На территории бывшего СССР смерчи возможны повсеместно южнее 65–66° с. ш., кроме пустынь Средней Азии и горных районов. Наблюдения за ними отрывочны. С 1844 по 1986 г. зарегистрировано 248 смерчей, от 2 до 18 в год, в среднем 8–10 в год. Наибольшее количество наблюдений приходится (в порядке убывания) на побережья Черного моря, Центрально-Черноземный район, Белоруссию, Прибалтику. Фактическое же территориальное распределение, возможно, иное; в частности, по повторяемости разрушительных смерчей на единицу площади ведущим может оказаться Волго-Вятский район или Прибайкалье. Наиболее сильны (известны) смерчи в Московской, Ярославской, Нижегородской и Ивановской областях. Наиболее вероятны они в июне – августе в 12–18 часов. В средствах массовой информации встречаются сообщения о смерчах с площадью разрушений и повреждений до сотен гектаров, с силой, губительной для зданий, ЛЭП и т. п.
В настоящее время каких-либо методов прогнозирования времени и места возникновения смерчей, а также их параметров не существует. Крайне сложно также прогнозировать пути перемещения смерчей.
Анализируя случаи возникновения смерчей, можно сделать вывод о том, что наиболее благоприятны для образования смерчевых облаков обширные равнины, над которыми происходит встреча теплых и холодных воздушных течений. Мероприятия, направленные на снижение негативных последствий смерчей такие же, как и при ураганах.