Формування торнадо: розуміння атмосферного тиску та обертання

Торнадо є одним із найбільш руйнівних погодних явищ на Землі. Розуміння того, як вони формуються, має вирішальне значення для вдосконалення систем прогнозування та попередження, що в кінцевому підсумку рятує життя та зменшує збитки. У цій статті ми заглибимося у складні процеси, що лежать в основі утворення торнадо, зосереджуючись на суттєвій ролі атмосферного тиску та обертання.

Що таке торнадо?

Торнадо — це стовп повітря, що стрімко обертається, простягаючись від купчасто-дощової хмари (часто грозової) до землі. Торнадо можуть значно відрізнятися за розміром та інтенсивністю, а швидкість вітру коливається від менш ніж 100 км/год (62 миль/год) до понад 480 км/год (300 миль/год). Шкала Фудзіти (та її вдосконалена версія, Розширена шкала Фудзіти) використовується для оцінки інтенсивності торнадо на основі завданих ним збитків.

Торнадо трапляються в багатьох частинах світу, але найчастіше в регіоні «Алея торнадо» у Сполучених Штатах, що простягається через центральні рівнини. Однак значні торнадо також були зафіксовані в Аргентині, Бангладеш, Австралії та частинах Європи.

Роль атмосферного тиску

Атмосферний тиск, сила, що створюється вагою повітря над певною точкою, відіграє вирішальну роль у формуванні та посиленні торнадо. Торнадо характеризуються надзвичайно низьким тиском у центрі, що створює потужну силу баричного градієнта.

Сила баричного градієнта

Сила баричного градієнта (СБГ) — це сила, що виникає внаслідок різниці в тиску повітря. Повітря природно рухається з областей високого тиску в області низького тиску. Чим крутіший градієнт тиску, тим сильніша сила. У контексті торнадо надзвичайно низький тиск усередині вихору створює дуже сильну СБГ, швидко втягуючи повітря до центру торнадо.

Цей порив повітря всередину сприяє посиленню обертання торнадо. Коли повітря рухається по спіралі всередину, воно зберігає кутовий момент (подібно до фігуриста, що притискає руки до тіла під час обертання), що призводить до різкого збільшення швидкості обертання. Чим нижчий тиск у центрі торнадо, тим сильніша СБГ і тим швидшими будуть вітри торнадо.

Падіння тиску та конденсація

Різке падіння тиску всередині торнадо також призводить до зниження температури. Коли повітря піднімається і розширюється в середовищі з низьким тиском, воно охолоджується. Якщо повітря достатньо вологе, це охолодження може призвести до конденсації, утворюючи видиму лійкоподібну хмару, характерну для торнадо.

Процес конденсації вивільняє приховану теплоту, що може додатково нагріти повітря всередині торнадо, роблячи його ще більш плавучим. Ця плавучість може сприяти прискоренню висхідного руху повітря всередині торнадо, посилюючи висхідний потік і ще більше інтенсифікуючи шторм.

Важливість обертання: мезоциклон

Хоча низький тиск є ключовим інгредієнтом, обертання є не менш важливим для утворення торнадо. Найпоширеніший тип торнадо формується з суперкоміркової грози, яка характеризується обертовим висхідним потоком, що називається мезоциклоном.

Що таке мезоциклон?

Мезоциклон — це область обертання в межах суперкоміркової грози, зазвичай кілька кілометрів у діаметрі. Він утворюється завдяки поєднанню факторів, включаючи вертикальний зсув вітру та нахил горизонтальної завихреності.

• Вертикальний зсув вітру: Це зміна швидкості та напрямку вітру з висотою. У середовищах, сприятливих для розвитку суперкомірок, часто спостерігається сильний зсув вітру, при якому вітри збільшують швидкість і змінюють напрямок (зазвичай з південного на західний) з ростом висоти.
• Горизонтальна завихреність: Зсув вітру створює горизонтальну завихреність, що, по суті, є невидимими лініями обертання паралельно до землі.
• Нахил завихреності: Висхідний потік грози може нахилити цю горизонтальну завихреність у вертикальну площину, створюючи стовп повітря, що обертається, — мезоциклон.

Мезоциклон є вирішальним попередником утворення торнадо. Він забезпечує початкове обертання, яке може бути сконцентроване та посилене для утворення торнадо.

Утворення торнадо з мезоциклону

Не всі мезоциклони утворюють торнадо. Кілька факторів впливають на те, чи породить мезоциклон торнадо, зокрема:

• Сила мезоциклону: Сильніші, щільніше обертові мезоциклони мають більшу ймовірність утворити торнадо.
• Наявність тилового низхідного потоку (ТНП): ТНП — це порив спадного повітря, що обгортає мезоциклон. Він може допомогти посилити обертання та наблизити його до землі.
• Наявність фронтального низхідного потоку (ФНП): Хоча він менш безпосередньо залучений до утворення торнадо, ФНП сприяє загальній структурі та динаміці суперкомірки.
• Умови в приграничному шарі: Нестійкість та вміст вологи в нижніх шарах атмосфери також є важливими.

ТНП відіграє особливо важливу роль. Опускаючись, він може допомогти розтягнути та посилити обертання мезоциклону, утворюючи менший, більш концентрований вихор біля землі. Цей вихор, відомий як торнадо-циклон або низькорівневий мезоциклон, часто є попередником торнадо.

У міру посилення торнадо-циклону, тиск у його центрі різко падає, що ще більше прискорює приплив повітря. Цей процес може призвести до утворення видимої лійкоподібної хмари, яка врешті-решт торкається землі, стаючи торнадо.

Несуперкоміркові торнадо

Хоча більшість торнадо утворюються з суперкоміркових гроз, деякі, відомі як несуперкоміркові торнадо, можуть формуватися з інших типів штормів. Ці торнадо зазвичай слабші та короткоживучі, ніж суперкоміркові торнадо.

Наземні смерчі та водяні смерчі

Наземні та водяні смерчі є прикладами несуперкоміркових торнадо. Вони утворюються над сушею та водою відповідно і зазвичай пов'язані з купчастими хмарами, що розвиваються, а не з суперкомірками. Вони часто утворюються вздовж меж, де збіжні вітри створюють обертання біля поверхні. Це обертання потім може бути розтягнуте вгору висхідним потоком, утворюючи торнадо.

Чинники, що впливають на утворення торнадо

Для утворення торнадо має бути наявним кілька атмосферних умов. До них належать:

• Нестійкість: Стан, при якому тепле, вологе повітря знаходиться під холоднішим, сухішим повітрям. Це створює потенційно нестійку атмосферу, де частинки повітря можуть легко підніматися.
• Вологість: Достатня кількість вологи в нижніх шарах атмосфери необхідна для живлення розвитку грози та забезпечення необхідної конденсації для утворення лійкоподібної хмари.
• Підйом: Механізм для ініціювання висхідного руху, такий як фронт, суха лінія або межа відтоку.
• Вертикальний зсув вітру: Як обговорювалося раніше, сильний вертикальний зсув вітру є вирішальним для створення обертання в грозі.

Глобальні приклади та регіональні відмінності

Хоча основні принципи утворення торнадо однакові в усьому світі, існують регіональні відмінності через різницю в географії, кліматі та атмосферних умовах.

• Сполучені Штати: Регіон «Алея торнадо» схильний до торнадо через зіткнення теплого, вологого повітря з Мексиканської затоки з холодним, сухим повітрям з Канади та Скелястих гір. Це створює дуже нестійку атмосферу, сприятливу для розвитку суперкомірок.
• Аргентина: Регіон пампасів в Аргентині має схожі атмосферні умови з Великими рівнинами США, що призводить до частих випадків торнадо.
• Бангладеш: Бангладеш вразливий до торнадо через низинний рельєф та вплив вологого повітря з Бенгальської затоки. Ці торнадо часто пов'язані з інтенсивними грозами і можуть спричинити значні руйнування та людські жертви.
• Австралія: Хоча торнадо трапляються рідше, ніж у США, вони виникають в Австралії, особливо в південно-східних штатах.
• Європа: Торнадо в Європі менш поширені, ніж у Північній Америці, але вони трапляються, зокрема в Нідерландах, Німеччині та Італії. Ці торнадо часто слабші та короткоживучі, ніж їхні американські аналоги.

Роль технологій у прогнозуванні торнадо

Досягнення в технологіях значно покращили нашу здатність прогнозувати та попереджати про торнадо. До них належать:

• Доплерівський радар: Доплерівський радар може виявляти рух крапель дощу та крижаних частинок у грозі, дозволяючи метеорологам ідентифікувати обертові структури, такі як мезоциклони та торнадо-циклони.
• Супутникові знімки: Супутникові знімки надають широкий огляд атмосферних умов і можуть допомогти визначити райони, де ймовірний розвиток гроз.
• Чисельні моделі прогнозування погоди: Ці складні комп'ютерні моделі використовують математичні рівняння для симуляції атмосфери та прогнозування майбутніх погодних умов. Моделі високої роздільної здатності тепер можуть розрізняти такі структури, як суперкомірки та мезоциклони, надаючи цінну інформацію для прогнозування торнадо.
• Спостерігачі за штормами: Навчені волонтери, які спостерігають та повідомляють про небезпечні погодні явища, надаючи інформацію «з землі», яка може допомогти перевірити дані радара та попередити громадськість.

Виклики у прогнозуванні торнадо

Незважаючи на технологічний прогрес, прогнозування торнадо залишається складним завданням. Торнадо є відносно дрібномасштабними явищами, які можуть швидко формуватися та розсіюватися, що ускладнює їх точне прогнозування.

Серед викликів у прогнозуванні торнадо можна виділити:

• Недостатність даних: Атмосфера є складною і хаотичною системою, і в нашому розумінні процесів, що призводять до утворення торнадо, все ще є прогалини.
• Обмеження моделей: Чисельні моделі прогнозування погоди не є ідеальними і можуть мати труднощі з точним моделюванням дрібномасштабних процесів, пов'язаних з утворенням торнадо.
• Прогнозування інтенсивності торнадо: Хоча ми часто можемо прогнозувати ймовірність утворення торнадо, прогнозування його інтенсивності залишається значним викликом.

Заходи безпеки під час торнадо

Якщо для вашого району оголошено попередження про торнадо, важливо негайно вжити заходів для захисту себе та своєї родини.

• Шукайте укриття: Найбезпечнішим місцем під час торнадо є підземне укриття, таке як підвал або штормовий льох. Якщо підземного укриття немає, перейдіть до внутрішньої кімнати на найнижчому поверсі міцної будівлі, подалі від вікон.
• Будьте в курсі: Слідкуйте за погодними попередженнями та оновленнями з надійних джерел, таких як Національна метеорологічна служба або місцеві ЗМІ.
• Захистіть себе: Якщо ви перебуваєте в автомобілі або на відкритому повітрі, ляжте в канаву або іншу низину і прикрийте голову руками.
• Після торнадо: Будьте обережні з такими небезпеками, як обірвані лінії електропередач та пошкоджені будівлі. Тримайтеся подалі від уламків і не заходьте в пошкоджені споруди, доки їх не оглянуть кваліфіковані фахівці.

Висновок

Утворення торнадо — це складний процес, що включає тонку взаємодію атмосферного тиску, обертання та інших факторів. Хоча було досягнуто значного прогресу в розумінні цих явищ, необхідні подальші дослідження для вдосконалення систем прогнозування та попередження. Розуміючи науку, що стоїть за утворенням торнадо, ми можемо краще захистити себе та свої громади від цих руйнівних погодних явищ.

Додаткова література та ресурси

• Національна метеорологічна служба (NWS): https://www.weather.gov/
• Центр прогнозування штормів (SPC): https://www.spc.noaa.gov/
• Національна лабораторія сильних штормів (NSSL): https://www.nssl.noaa.gov/