Формирование торнадо: Понимание роли атмосферного давления и вращения

Торнадо — одно из самых разрушительных погодных явлений на Земле. Понимание того, как они формируются, имеет решающее значение для улучшения систем прогнозирования и предупреждения, что в конечном итоге спасает жизни и смягчает ущерб. В этой статье мы углубимся в сложные процессы, лежащие в основе формирования торнадо, уделив особое внимание важной роли атмосферного давления и вращения.

Что такое торнадо?

Торнадо — это яростно вращающийся столб воздуха, простирающийся от кучево-дождевого облака (часто грозового) до земли. Торнадо могут сильно различаться по размеру и интенсивности, со скоростью ветра от менее 100 км/ч (62 миль/ч) до более 480 км/ч (300 миль/ч). Шкала Фудзиты (и ее усовершенствованная версия, Усовершенствованная шкала Фудзиты) используется для оценки интенсивности торнадо на основе нанесенного им ущерба.

Торнадо возникают во многих частях мира, но наиболее часто — в регионе "Аллея торнадо" в Соединенных Штатах, который простирается через центральные равнины. Однако о значительных торнадо также сообщалось в Аргентине, Бангладеш, Австралии и некоторых частях Европы.

Роль атмосферного давления

Атмосферное давление, сила, создаваемая весом воздуха над данной точкой, играет ключевую роль в формировании и усилении торнадо. Торнадо характеризуются чрезвычайно низким давлением в центре, что создает мощную силу барического градиента.

Сила барического градиента

Сила барического градиента (СБГ) — это сила, возникающая из-за разницы в давлении воздуха. Воздух естественным образом движется из областей высокого давления в области низкого давления. Чем круче градиент давления, тем сильнее сила. В контексте торнадо чрезвычайно низкое давление внутри вихря создает очень сильную СБГ, быстро втягивая воздух внутрь к центру торнадо.

Этот внутренний приток воздуха способствует усилению вращения торнадо. По мере того как воздух движется по спирали внутрь, он сохраняет угловой момент (подобно фигуристу, который прижимает руки к телу во время вращения), что приводит к резкому увеличению скорости вращения. Чем ниже давление в центре торнадо, тем сильнее СБГ и тем выше будет скорость ветра в торнадо.

Падение давления и конденсация

Резкое падение давления внутри торнадо также приводит к снижению температуры. По мере того как воздух поднимается и расширяется в среде с низким давлением, он охлаждается. Если воздух достаточно влажный, это охлаждение может привести к конденсации, образуя видимую воронку облака, характерную для торнадо.

Процесс конденсации высвобождает скрытое тепло, которое может дополнительно нагреть воздух внутри торнадо, делая его еще более плавучим. Эта плавучесть может способствовать восходящему ускорению воздуха внутри торнадо, усиливая восходящий поток и еще больше интенсифицируя шторм.

Значение вращения: Мезоциклон

Хотя низкое давление является ключевым компонентом, вращение не менее важно для формирования торнадо. Самый распространенный тип торнадо образуется из суперячейковой грозы, которая характеризуется вращающимся восходящим потоком, называемым мезоциклоном.

Что такое мезоциклон?

Мезоциклон — это вращающаяся область внутри суперячейковой грозы, обычно диаметром в несколько километров. Он формируется под влиянием совокупности факторов, включая вертикальный сдвиг ветра и наклон горизонтальной завихренности.

• Вертикальный сдвиг ветра: Это изменение скорости и направления ветра с высотой. В условиях, благоприятных для развития суперячеек, часто наблюдается сильный сдвиг ветра, при котором скорость ветра увеличивается, а направление изменяется (обычно с южного на западное) по мере увеличения высоты.
• Горизонтальная завихренность: Сдвиг ветра создает горизонтальную завихренность, которая по сути представляет собой невидимые линии вращения, параллельные земле.
• Наклон завихренности: Восходящий поток грозы может наклонить эту горизонтальную завихренность в вертикальное положение, создавая вращающийся столб воздуха — мезоциклон.

Мезоциклон является важным предвестником формирования торнадо. Он обеспечивает начальное вращение, которое может быть сконцентрировано и усилено для образования торнадо.

Формирование торнадо из мезоциклона

Не все мезоциклоны порождают торнадо. На то, породит ли мезоциклон торнадо, влияет несколько факторов, в том числе:

• Сила мезоциклона: Более сильные, плотно вращающиеся мезоциклоны с большей вероятностью порождают торнадо.
• Наличие нисходящего потока в тыловой части (RFD): RFD — это порыв нисходящего воздуха, который огибает мезоциклон. Он может помочь усилить вращение и приблизить его к земле.
• Наличие нисходящего потока в передней части (FFD): Хотя FFD менее непосредственно участвует в формировании торнадо, он способствует общей структуре и динамике суперячейки.
• Условия в пограничном слое: Нестабильность и содержание влаги в нижних слоях атмосферы также важны.

RFD играет особенно важную роль. По мере своего опускания он может помочь растянуть и усилить вращение мезоциклона, образуя меньший, более концентрированный вихрь у земли. Этот вихрь, известный как торнадо-циклон или низкоуровневый мезоциклон, часто является предвестником торнадо.

По мере усиления торнадо-циклона давление в его центре резко падает, что еще больше ускоряет приток воздуха. Этот процесс может привести к образованию видимой воронки облака, которая в конечном итоге касается земли, становясь торнадо.

Несуперячейковые торнадо

Хотя большинство торнадо образуются из суперячейковых гроз, некоторые торнадо, известные как несуперячейковые торнадо, могут формироваться из других типов штормов. Эти торнадо обычно слабее и менее продолжительны, чем суперячейковые.

Наземные и водяные смерчи

Наземные и водяные смерчи являются примерами несуперячейковых торнадо. Они формируются над сушей и водой соответственно и обычно связаны с развивающимися кучевыми облаками, а не с суперячейками. Они часто образуются вдоль границ, где сходящиеся ветры создают вращение у поверхности. Это вращение затем может быть вытянуто вверх восходящим потоком, образуя торнадо.

Факторы, влияющие на формирование торнадо

Для формирования торнадо необходимо наличие нескольких атмосферных условий. К ним относятся:

• Неустойчивость: Состояние, при котором теплый, влажный воздух находится под более холодным, сухим воздухом. Это создает потенциально неустойчивую атмосферу, в которой воздушные частицы могут легко подниматься.
• Влага: Достаточное количество влаги в нижних слоях атмосферы необходимо для подпитки развития гроз и обеспечения необходимой конденсации для формирования воронки облака.
• Подъем: Механизм для инициирования восходящего движения, такой как фронт, линия сухости или граница оттока.
• Вертикальный сдвиг ветра: Как обсуждалось ранее, сильный вертикальный сдвиг ветра имеет решающее значение для создания вращения внутри грозы.

Глобальные примеры и региональные различия

Хотя основные принципы формирования торнадо одинаковы во всем мире, существуют региональные различия из-за различий в географии, климате и атмосферных условиях.

• Соединенные Штаты: Регион "Аллея торнадо" подвержен торнадо из-за столкновения теплого, влажного воздуха из Мексиканского залива с холодным, сухим воздухом из Канады и Скалистых гор. Это создает крайне неустойчивую атмосферу, способствующую развитию суперячеек.
• Аргентина: В регионе пампы в Аргентине наблюдаются атмосферные условия, схожие с Великими равнинами США, что приводит к частым случаям торнадо.
• Бангладеш: Бангладеш уязвим для торнадо из-за своей низменной местности и воздействия влажного воздуха из Бенгальского залива. Эти торнадо часто связаны с интенсивными грозами и могут причинять значительный ущерб и приводить к гибели людей.
• Австралия: Хотя торнадо здесь встречаются реже, чем в США, они все же происходят, особенно в юго-восточных штатах.
• Европа: Торнадо в Европе менее распространены, чем в Северной Америке, но они случаются, особенно в Нидерландах, Германии и Италии. Эти торнадо часто слабее и менее продолжительны, чем их американские аналоги.

Роль технологий в прогнозировании торнадо

Достижения в области технологий значительно улучшили нашу способность прогнозировать торнадо и предупреждать о них. К ним относятся:

• Доплеровский радар: Доплеровский радар может обнаруживать движение капель дождя и частиц льда внутри грозы, что позволяет метеорологам выявлять вращающиеся структуры, такие как мезоциклоны и торнадо-циклоны.
• Спутниковые снимки: Спутниковые снимки предоставляют широкий обзор атмосферных условий и могут помочь определить области, где вероятно развитие гроз.
• Численные модели прогнозирования погоды: Эти сложные компьютерные модели используют математические уравнения для моделирования атмосферы и прогнозирования будущих погодных условий. Модели высокого разрешения теперь могут разрешать такие структуры, как суперячейки и мезоциклоны, предоставляя ценную информацию для прогнозирования торнадо.
• Наблюдатели за штормами: Обученные добровольцы, которые наблюдают и сообщают о суровых погодных явлениях, предоставляя информацию с места событий, которая может помочь проверить данные радаров и предупредить общественность.

Трудности в прогнозировании торнадо

Несмотря на технологические достижения, прогнозирование торнадо остается сложной задачей. Торнадо — это относительно мелкомасштабные явления, которые могут быстро формироваться и рассеиваться, что затрудняет их точное предсказание.

Некоторые из трудностей в прогнозировании торнадо включают:

• Недостаток данных: Атмосфера — это сложная и хаотичная система, и в нашем понимании процессов, приводящих к формированию торнадо, все еще есть пробелы.
• Ограничения моделей: Численные модели прогнозирования погоды не идеальны и могут испытывать трудности с точным моделированием мелкомасштабных процессов, связанных с формированием торнадо.
• Прогнозирование интенсивности торнадо: Хотя мы часто можем прогнозировать вероятность образования торнадо, предсказание его интенсивности остается серьезной проблемой.

Меры безопасности во время торнадо

Если для вашего района объявлено предупреждение о торнадо, важно немедленно принять меры для защиты себя и своей семьи.

• Ищите укрытие: Самое безопасное место во время торнадо — это подземное укрытие, такое как подвал или штормовой погреб. Если подземное укрытие недоступно, перейдите во внутреннюю комнату на нижнем этаже прочного здания, подальше от окон.
• Будьте в курсе: Следите за погодными предупреждениями и обновлениями из надежных источников, таких как Национальная метеорологическая служба или местные СМИ.
• Защитите себя: Если вы находитесь в транспортном средстве или на открытом воздухе, лягте плашмя в канаву или другое низменное место и закройте голову руками.
• После торнадо: Остерегайтесь опасностей, таких как оборванные линии электропередач и поврежденные здания. Держитесь подальше от обломков и не входите в поврежденные строения, пока они не будут проверены квалифицированными специалистами.

Заключение

Формирование торнадо — это сложный процесс, включающий тонкое взаимодействие атмосферного давления, вращения и других факторов. Хотя в понимании этих явлений достигнут значительный прогресс, необходимы дальнейшие исследования для улучшения систем прогнозирования и предупреждения. Понимая науку, стоящую за формированием торнадо, мы можем лучше защитить себя и наши сообщества от этих разрушительных погодных явлений.

Дополнительная литература и ресурсы

• Национальная метеорологическая служба (NWS): https://www.weather.gov/
• Центр прогнозирования штормов (SPC): https://www.spc.noaa.gov/
• Национальная лаборатория сильных штормов (NSSL): https://www.nssl.noaa.gov/