Образование смерча и торнадо¶
Смерч — вертикальный вихрь, возникающий в грозовом облаке и соединяющий его с поверхностью земли, характеризующийся вращением вокруг вертикальной оси и, как правило, наличием воронки (видимой трубки конденсации). Термин «смерч» применяется преимущественно в русскоязычной метеорологии; в международной практике различают торнадо (tornado) — вихрь, возникающий внутри грозового облака и опускающийся к земле, и суперячейковое торнадо — торнадо, рождённое в сверхмощной грозе (суперячейке). Смерчи и торнадо относятся к числу наиболее разрушительных атмосферных явлений; в России они чаще всего наблюдаются в Поволжье, Центральном Чернозёмье, на Северном Кавказе и в Приморье.
¶Предпосылки: условия для возникновения
Для образования смерча или торнадо необходимо одновременное выполнение нескольких метеорологических условий:
- Высокая неустойчивость атмосферы. Нижние слои воздуха должны быть тёплыми и влажными, верхние — холодными и сухими. Такая стратификация обеспечивает мощный восходящий поток (конвективный).
- Влажность у поверхности. Обычно требуется относительная влажность у земли выше 60–70 %, что даёт топливо для грозового облака в виде скрытой теплоты конденсации.
- Ветровой сдвиг. Изменение скорости и/или направления ветра с высотой (ветровой сдвиг) закручивает воздух по вертикали, создавая так называемый геликозит (вращение в вертикальной плоскости). Именно геликозит является «зародышем» будущего вихря.
- Триггерный подъём. Нужен механизм, запускающий восходящий поток: фронт, солнечный прогрев поверхности, горный барьер или зона схождения ветров.
¶Роль грозового облака
Смерчи образуются почти исключительно в кумулонимбусах — мощных грозовых облаках вертикального развития, достигающих высот 10–15 км. Внутри такого облака формируется восходящий поток (апдейт), который при наличии ветрового сдвига начинает вращаться вокруг вертикальной оси. Вращающийся восходящий поток называется мезоциклоном; его типичный диаметр — 2–10 км, период вращения — от нескольких минут до получаса.
Мезоциклон сам по себе ещё не является торнадо. Чтобы вихрь опустился к земле, необходима дополнительная концентрация вращения: нисходящие потоки облака (даундрафты), обтекая мезоциклон сзади, сжимают и вытягивают его по вертикали, формируя узкую воронку. Процесс описывается законом сохранения момента импульса: при уменьшении радиуса вращения угловая скорость резко возрастает, что и приводит к появлению сверхбыстрых ветров в узком ядре вихря.
¶Стадии развития
Условно жизненный цикл смерча разделяют на следующие фазы:
| Фаза | Описание |
|---|---|
| Рождение | Внутри грозового облака формируется мезоциклон; в нижней части облака появляется ложкообразный выступ (wall cloud) |
| Опускание воронки | Из основания облака к земле опускается конусовидная трубка конденсации; воронка ещё не касается земли |
| Зрелость | Воронка достигает поверхности; поднимающаяся пыль и обломки образуют «облако обломков» у основания; ветры достигают максимальной скорости |
| Распад | Поток нисходящего воздуха (рэйнфлаут) отсекает вихрь от притока тёплого влажного воздуха; воронка сужается, извивается и исчезает |
Продолжительность жизни смерча обычно составляет от 1–2 минут до 30–40 минут; отдельные суперячейковые торнадо существуют более часа.
¶Суперячейки
Особый класс гроз — суперячейки (supercells) — порождает самые мощные и долгоживущие торнадо. От обычной грозы суперячейка отличается наличием устойчивого, долго существующего мезоциклона. В России суперячейки чаще всего формируются весной и летом в Поволжье и на юге Европейской части; в США «Торнадо-аллея» (Техас, Оклахома, Канзас, Небраска) даёт около 1200 торнадо в год, большинство из них — суперячейковые.
¶Виды смерчей
Помимо классических суперячейковых торнадо, различают:
- Мультивихревые смерчи — вокруг основной воронки вращаются несколько меньших дочерних вихрей.
- Водяные смерчи (водовороты) — возникают над водной поверхностью, не обязательно связаны с грозой; в России известны смерчи на Каспийском, Азовском и Чёрном морях.
- Пыльные (песчаные) смерчи — слабые вихри над сухой равниной, поднимающие пыль; часто наблюдаются в степных районах России и Средней Азии.
- Огненные торнадо (пироциклоны) — возникают над очагами сильного пожара, питаемые восходящим потоком горячего воздуха; в России зафиксированы при лесных пожарах 2010 и 2021 годов.
¶Прогноз и наблюдение
Прямое наблюдение смерча затруднено из-за кратковременности и малых размеров явления. Метеорологические службы используют:
- Радары Доплера (WSR-88D в США, «Метеор» в России) — обнаруживают вращение внутри грозового облака по смещению скорости капель дождя.
- Спутниковые снимки — фиксируют структуру грозовых систем, но не разрешают сам вихрь.
- Полевые наблюдения — сеть добровольных наблюдателей (в США — Skywarn, в России — сообщества штормовых наблюдателей).
Прогноз смерчей считается одним из сложнейших в метеорологии: точность предсказания места и времени вихря обычно не превышает 20–30 минут и нескольких километров.
Источники:
- Апрецов Б. Н. «Смерчи». — Л.: Гидрометеоиздат, 1987.
- Монин А. С., Шишков Ю. А. «История погоды». — Л.: Гидрометеоиздат, 1970.
- Мэйкотт Р. «Торнадо». — М.: Мир, 1975.
- Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации». — М.: Минприроды России, ежегодные выпуски.
- Гидрометцентр России: материалы по штормовым явлениям.