Дымные огненные вихри

Смерч – одно из самых грандиозных и таинственных явлений природы. Существует множество моделей смерча, но даже вместе взятые они не в состоянии объяснить всех загадок этого удивительного явления. Его энергия настолько велика, что почти никто и ничто не может выдержать схватку со смерчем.

В начале года нас заинтересовало много вопросов относительно смерча. Как и почему смерч образуется? Каково его строение? Что собой представляет воронка смерча? Что придаёт её стенкам сильное вращение и огромную разрушительную силу? Можно ли воссоздать смерч в лабораторных условиях? И мы решили найти ответы на них. В России смерч – очень редкое явление, и поэтому о нём известно мало.

Но по мере того, как мы читали справочные материалы, исследовали сводки смерчей по всему миру и создавали модели смерча, нам открывался удивительный мир вихрей. И мы хотим познакомить с ним вас.

Смерч – атмосферный вихрь, возникающий в грозовом облаке и затем распространяющийся в виде тёмного рукава или хобота по направлению к поверхности суши или моря; в верхней части имеет воронкообразное расширение, сливающееся с облаком

Термин «смерч» происходит от русского слова «сумрак» - ведь смерчи рождаются из грозовых облаков мрачного вида, создающих при своём появлении сумерки. Если смерч возникает над морем , его называют водяным смерчем (или просто смерчем). Смерчи над сушейназывают тромбами (от франц. tromb, означающего «труба»). В Северной Америке тромбы принято называть торнадо (от испанского tornados, означающего «вращающийся»).

Глава 1.

Так как смерч – вихрь, необходимо рассказать немного о вихре. Удивительное это образование – вихрь! От других потоков однородной жидкости или газа он отличается только характером движения, включающим вращение вокруг внутренней оси. Но, по сравнению с другими потоками, вихрь обладает замечательной целостностью, устойчивостью и долгоживучестью.

В природе вихри возникают во множестве. Они появляются в той части потока, где скорость быстро меняется в направлении, перпендикулярном потоку. Многим случалось видеть вихри в быстрой реке на переходе от быстрины к замедленному течению у берега. Целая цепочка вихрей может тянуться за движущимся предметом, скажем автомобилем. Их особенно удобно наблюдать на шоссе в метельные дни, когда машина обдувается крепким встречным ветром, а хлопья снега проявляют движение прозрачного воздуха. Такие же вихри появляются при обтекании препятствий.

Вихревой характер сильного ветра был замечен в 1821 г. У. Рэдфилдом, содержателем небольшого магазина в штате Коннектикут (США), который объезжая после шторма районы штата, обратил внимание на поваленные ветром деревья. В одном месте деревья лежали макушками к северо-западу, тогда как на некотором расстоянии макушки указывали прямо противоположное направление. Отсюда У. Рэдфилд сделал вывод, что шторм представлял собой вращательную систему ветров. Беседуя с моряками и анализируя судовые журналы, он установил направление вращения крупных вихрей и нашёл траектории их центров. В 1831 г. вышел труд У. Рэдфилда, излагающий результаты его исследований. Близкие взгляды высказывал немецкий учёный В. Дове. В эти же годы были построены первые ветровые карты.

В природе большое разнообразие вихрей. Вихри бывают пыльными, дымными огненными, пепловыми, снежными, водяными, воздушными. Стоит немного поговорить о каждом из них.

1. 1. Пыльные вихри

Пыльные, или песчаные вихри – это вихревые образования, напоминающие смерчи и нередко так называющиеся. Однако к смерчам они никакого отношения не имеют. Сходство заключается только во вращающемся, восходящем движении воздуха с пылью. Пыль делает это восхождение видимым. Пыльные вихри образуются при интенсивном прогревании верхнего слоя земли в жаркую, тихую или умеренно ветреную погоду. Размеры их различны, иногда довольно большие, до 1000 м высотой. Но и в этих случаях производимые ими разрушения незначительны. Чаще всего вихри образуются в большом числе, быстро двигаясь, изгибаясь, догоняя друг друга. Их причудливость послужила причиной названия «пыльные дьяволы».

1. 2. Дымные огненные вихри

Следует упомянуть о так называемых «дымных вихрях», возникающих во время пожаров. Небольшие пожары сопровождаются небольшими вихрями, остающимися незамеченными. Громадные пожары создают вихри, по силе приближающиеся к смерчам. Огненные вихри , а иногда и смерчи сопровождали большие лесные пожары, пожары городов во время бомбёжки (например, в Хиросиме 6 августа 1945г. ) и даже большие фейерверки, взрывы больших выходов горючего газа в Сахаре.

Даже такие сравнительно небольшие явления, как сжигание скирд соломы на полях, вызывают образование кучевых облаков высотой до 500 м. В Англии подобное сжигание происходит часто и всегда сопровождается образованием кучевых облаков. И нередко образуются огненные вихри.

1. 3. Пепловые вихри

Пепловые вихри нередко возникают во время вулканических извержений, особенно над потоками раскалённой лавы. Вегенер приводит ряд примеров, наблюдавшихся при извержении Везувия, Санторина и в Исландии. Эти вихри несут вулканический пепел, и поэтому их называют пепловыми.

1. 4. Снежные вихри

Снежные вихри часто возникают везде, где существуют более или менее значительные площади, покрытые рыхлым снегом. Обычны они зимой на безбрежных просторах наших равнин и тундр, на безлесных пространствах Канады и Аляски, на ледяных щитах Гренландии и Антарктики.

Ф. А. Баталин указывает, что снежные вихри нередки и в Западной Европе, в холмистых областях и в горах.

1. 5. Водяные вихри

Водяные вихри нередки на поверхности моря и больших озёр. Они похожи на пыльные вихри и отличаются только тем, что вращающийся воздух поднимает вверх не пыль, а мельчайшие капельки воды. Обычно водяные вихри небольших размеров и остаются неотмеченными.

Водяные вихри наиболее распространены в тропических и субтропических водах.

Таковы вихри. Сходства и различия смерчей от вихрей вы сможете увидеть в нашей 2 главе.

Глава 2.

2. 1. Внешний вид

Смерч выглядит устрашающе. Из очень тёмной, почти чёрной тучи опускается к земной поверхности сужающийся книзу хобот; он представляет собой вихрь. Вместе с тучей этот хобот-вихрь движется со скоростью поезда вдоль земной поверхности, случайным образом меняя направление движения. Можно рассматривать смерч, как часть грозового облака, вращающуюся вокруг вертикальной оси. Впрочем, эта часть облака весьма специфична. Она не только быстро вращается, но и при этом, подобно сверхмощной вытяжной трубе, втягивает в себя и поднимает вверх воду, песок, камни, а также различные предметы, не редко достаточно тяжёлые. Поэтому такой удивительной части грозового облака дают отдельное название – смерч. А всю остальную часть грозового облака, откуда опустился смерч, называют материнским облаком, подчёркивая тем самым происхождение смерча.

Внешний вид смерчей может быть различным. Часто он напоминает свисающий из материнского облака хобот.

Типичный хоботообразный смерч наблюдался в Ленинграде 15 августа 1925 г. Для района Ленинграда это явление чрезвычайно редкое. Если и замечаются иногда небольшие воронки в нижней части мощного грозового облака, то, как правило, эти зародышевые смерчевые образования не получают дальнейшего развития.

Смерч 1925 г. проявил себя «во всей красе». Около 4 часов дня небо затянулось облаками, слышны были раскаты грома от отдаленной грозы, проходившей восточнее города. В 4 ч. 2 м. в самом центре города можно было видеть, как из грозового облака, проходившего на юго-востоке, спустилась воронка, напоминавшая изогнутый хобот слона.

Через 1—2 мин. смерч стал уже похож на песочные часы: наиболее тонкая часть его была посредине. Существовал смерч всего несколько минут. Быстро исчезла нижняя его часть, а к 4 ч. 5 м. и верхняя часть, превратившаяся в тонкий завиток, вошла в облако. Низший конец смерча нельзя было наблюдать, так как он был закрыт домами. Судя по отсутствию каких-либо разрушений, он, вероятно, не доходил до земли.

Но можно увидеть конус, широкую вверху и узкую у поверхности воронку, которая может принимать форму бокала.

Например, в США преобладают небольшие смерчи, имеющие форму узкой и длинной, резко ограниченной воронки, расширяющейся у материнского облака и суживающейся к земле, где она сопровождается небольшим каскадом пыли. Воронка обычно светлее облака и хорошо видна издали. Это дает возможность жителям спрятаться в специальные смерчевые погреба.

Подобная сцена изображена на картине известного американского художника Д. Кэрри (см. приложения). Жена фермера с грудным ребенком на руках уже поставила ногу на ступеньку лестницы, ведущей в погреб. Фермер торопит детей, несущих на руках щенят и кошку. Вдали видна воронка смерча, несущаяся к ферме. Если она действительно налетит на ферму, то ни от одного строения, изображенного на картине, не останется и следа, но фермер с семьей в погребе будут невредимы.

Также смерч бывает похож на простую колонну.

Один из таких смерчей прошёл 2 июня 1923 г. в штате Вайоминг. Он интересен тем, что расширяется к основанию, а не к облаку, как это обычно бывает. Он сопровождается каскадом пыли. Все небо закрыто облаками. Этот смерч прошел по полупустынной равнине, не причинив ущерба.

2. 2. Основные характеристики

В метеорологии для смерчей используют название маломасштабные вихри. Тем самым подчёркивается локальный характер смерчей, их отличие от вихрей среднего масштаба – тропических циклонов, диаметр которых составляет 300-500 км, и вихрей крупного масштаба – внетропических циклонов и антициклонов, диаметр которых составляет 1000 – 3000 км. Диаметр вихря, образуемого водяным смерчем, составляет 30 – 200 м, а образуемого тромбом – 100м – 1км.

Смерч характеризуется двумя скоростями – скоростью его перемещения вдоль земной поверхности и скоростью вращения частиц воздуха, участвующих в вихревом движении. Первая скорость соответствует скорости материнского облака. Она изменяется от нуля (когда смерч на какое-то время зависает неподвижно) до 150 км/ч (40 м/с). В среднем она составляет 20 – 50 км/ч (5 – 15 м/с). Вторая скорость (скорость вихревого движения) значительно больше – от 50 м/с до 200 м/с.

Смерчи очень недолговечны. Водяные смерчи существуют обычно несколько минут. Тромбы (торнадо) могут существовать до нескольких десятков минут и даже нескольких часов.

Смерчи, как правило, имеют хорошо наблюдаемую боковую стенку. Внутри стенки (внутри смерча) давление значительно ниже, чем снаружи. Оно опускается до 800 гПа и даже до 600 гПа. Вы можете спросить: как же измеряют давление внутри смерча. Конечно, бесполезно пытаться поместить измерительный прибор внутрь смерча. И дело не в том, что практически невозможно угадать ту точку земной поверхности, над которой пройдёт смерч. Даже если бы это удалось сделать, ураганные вихри внутри смерча тут же уничтожили бы измерительный прибор. Смерч наблюдают и изучают его последствия, то есть характер и степень произведённых им разрушений. И уже на этом основании делают более или менее достоверные выводы о динамике вихрей внутри смерча.

2. 3. Образование смерча

Теории образования смерчей многочисленны и разнообразны, но ни одна из них не может считаться общепринятой и разрешающей все вопросы.

В 1951 г. Бликер и Дилвер предложили термическую теорию, по которой смерчи и вертикальные вихри образуются в результате повышения температуры в центре образования. Но она не объясняет самого важного — связи смерчей со смерчевыми облаками.

Одновременно Кошмидер предложил термодинамическую теорию, по которой к термическим явлениям присоединяются динамические — движения воздушных масс. Она также не затрагивает связи смерчей со смерчевыми облаками.

В определении С. П. Хромова (1963 г. ) , к сожалению, также ничего не говорилось о связи с материнским облаком.

Первый крупный шаг в создании теории смерчей сделал Вегенер. Однако он выдвинул лишь правильное общее положение, но иллюстрировал его неправильным конкретным материалом. Смерчи действительно связаны со смерчевыми облаками, но не так, как это предполагал Вегенер. Смерчи порождаются вихревыми образованиями, но не цилиндрическими вертикальными, как утверждал этот учёный, а горизонтальными спиральными вихрями, типа вихрей ураганов.

Первым это положение выдвинул один из крупнейших американских метеорологов, Брукс. Он указал, что смерчи являются частью своеобразных материнских облаков, обладающих спиральным вихревым движением, подобным движению циклонов. Поэтому он дал этим облакам название tornado-cyclone — «смерчевой циклон». Поскольку tornado это тоже циклон, то название tornado-cyclone не получило широкого применения. Чаще облако, порождающее смерчи, называют просто материнским облаком. Последнее название и будет применяться в дальнейшем; равноценно ему название «смерчевое облако».

Фуджита на ряде конкретных, хорошо изученных и заснятых смерчей показал справедливость теории Брукса, детализировал и развил ее. Он дал точное и краткое определение: «Материнское облако — это маленький тропический ураган». Облако обладает «глазом бури», имеет спиральное строение и дает радарное эхо в виде крюка.

Связь смерчей с материнским облаком подчеркнули в своих работах

Дайнввдди, Флавин, Рибер, Самуел, Биби. В настоящее время эта связь может считаться общепринятой.

Материнское облако достаточно изучено. Его ступенчатое, точнее — трехэтажное, строение отмечено в работах Вобуса и Геккера.

Из других закономерностей образования смерчей заслуживает внимания их связь с циклонами. Для московского смерча 1904 г. это показал С. П. Хромов на основании изучения синоптической обстановки. Для смерчей 1884 г. в США, описанных Файнли, тем же методом эта связь была доказана С. С. Гайгеровым. Ими же была установлена связь смерчей с теплым фронтом.

2. 4. Смерчевые облака

2. 4. 1. Общая характеристика

Каждый смерч происходит из смерчевого облака. Об их строении и даже размерах известно сравнительно немного.

По своей форме и строению смерчевые облака представляют типичные грозовые, кучево-дождевые облака. Многочисленные описания материнских облаков во время образования смерчей приведены в работе Файнли. Они сделаны неспециалистами, поэтому примитивны и приблизительны.

2. 4. 2. Форма и размеры

Форма и размеры смерчевого облака недостаточно изучены, как уже было сказано. Многочисленные наблюдатели ограничиваются самыми общими описаниями: «громадное грозовое облако», «темная, тяжелая туча, нависшая над землей», «грозовая туча, внизу зеленоватого цвета» и т. П. Темная, зеленоватая, синеватая или желтовато-бурая окраска нижней части облака упоминается очень часто. По-видимому, эта окраска связана с большим количеством воды, а иногда и пыли.

Нередко грозовое облако в виде однородной массы движется по чистому небу. Довольно часто по краям оно распадается на отдельные быстро движущиеся облака. Более редко все небо заволакивает облаками, и смерчевое облако ползет среди них. Его средние размеры невелики: в поперечнике 5—10 км, реже до 15 км, высота до 4—5 км, иногда до 10—15 км. У больших смерчей ширина облака 30—40 км, длина 50 км. Очень характерно ровное, плотное, почти горизонтальное основание. Оно резко ограничено, крутящиеся воронкообразные или трубообразные отростки, выходящие из него, хорошо видны .

Расстояние между основанием облака и землей обычно небольшое, порядка нескольких сот метров, реже больше. Иногда облако ползет над самой землей

Изредка оно движется по земле. Тогда воронка не образуется, заменяясь ураганными вихревыми ветрами, причиняющими громадные разрушения. Транспортирующая сила облаков громадна.

2. 4. 3. Внутреннее строение

Смерчевое облако, как и всякое другое грозовое, кучево-дождевое облако, обладает двумя основными особенностями: высокой турбулентностью и неоднородностью. Простые визуальные наблюдения показали, что отдельные части грозового, смерчевого облака обладают своим особенным, обычно вихревым движением. Такие части уже давно получили названия: «воротник бури», «дуговое облако», «шквальное облако» и др.

2. 5. Развитие смерча и его строение

На предварительной стадии развития смерча начинается вращение воздушно-водяной массы в нижней части материнского облака. Вращение происходит вокруг некоторой вертикальной оси, проходящей через центральную часть облака. Оно приводит к 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, кружащихся в том же направлении, что и нижняя часть облака. Вихри поднимают в воздух много пыли, песка, травы, мелких камней. Подчеркнём: вращение нижней части материнского облака является первопричиной последующих движений воздушных масс, благодаря которым сформируется сначала воронка смерча, а затем и хобот, контактирующий с земной поверхностью (сушей или морем).

Рассмотрим два этапа в развитии смерча. На первом этапе формируется вращающаяся вокруг вертикальной оси воронка, провисающая из материнского облака.

Провисание обусловлено постепенным накоплением в нижней части облака водяных капель. Плотность воздушно-водяной среды может составлять 5 и более, что в 4 и более раз превышает плотность сухого воздуха. Почему это воздушно-водяная масса не падает на землю? Она не падает по той причине, что этому препятствует сила электростатического притяжения, поскольку верхняя часть грозового облака заряжена положительно, а нижняя отрицательно. Итак, на первом этапе развития смерча возникает вращающаяся вокруг вертикальной оси воздушно-водяная воронка, к которой поднимаются от поверхности земли воздушные вихри, вращающиеся в таком же направлении.

По мере новых поступлений из глубин облака масса вращающейся воронки возрастает, и сила тяжести, преодолевая силу электростатического взаимодействия, начинает вытягивать воронку вниз и формировать хобот смерча. Наступает момент, когда действие электростатического взаимодействия 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.

Смерч состоит из внешней области (её называют стенкой или периферийной областью) и внутренней области (её называют приосевой областью или ядром смерча). Внутренняя область заполнена восходящим воздушным вихрем, захватывающим с земной поверхности воду, пыль, песок и различные предметы. Восходящий воздушный вихрь может пронизывать материнское облако, поднимаясь до высоты 10 км и более. Стенка смерча представляет собой пространственно локализованный нисходящий воздушно-водяной вихрь. Диаметр смерча от 30 м до 1 км, при этом толщина стенки составляет 3-5 м.

Итак, с точки зрения физика, смерч представляет собой двойной вихрь – внутренний восходящий (менее плотный) и обнимающий его внешний нисходящий (более плотный). С точки зрения метеоролога, смерч представляет собой своеобразную форму существования осадков. Её можно назвать скрученным дождём. 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, которые могут удерживаться в вышине достаточно долго, поддерживаемые 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 эти градины опустятся в нижнюю часть облака и упадут на землю. Неоднократно наблюдались градины, имеющие в поперечнике до 30 см. Нетрудно посчитать, что подобная градина должна иметь массу до 15 кг. Был случай, когда внутри одной гигантской градины оказалась черепаха размерами.

Нетрудно оценить плотность воздушно-водяной стенки смерча. На рисунке 13 выделен небольшой объём

стенки, равный Sd, где d – толщина стенки, а S – площадь боковой поверхности выделенного объёма. Итак, мысленно выделим фрагмент стенки смерча массой. Данный фрагмент есть «кусочек» вихря, он движется по окружности радиусом r со скоростью v, то есть имеет центростремительное ускорение r. Это ускорение обусловлено силой , направленной к оси вращения и равной по модулю , где - давление атмосферного воздуха вне смерча, а - давление внутри смерча. Согласно второму закону Ньютона, , то есть. Таким образом,

Полагая Па, d=3м, r=20м, v=150 м/с, находим из (1), что плотность воздушно-водяной стенки смерча равна в рассматриваемом случае 6.

Ранее отмечалось, что смерч недолговечен. Когда истощается его энергия, возникает перетяжка (смыкание стенок смерча) в каком-нибудь месте хобота. Часть смерча, оказавшаяся ниже перетяжки, просто падает на поверхность земли. Часть смерча над перетяжкой втягивается обратно в материнское облако. [4]

2. 6. Атмосферные явления

Атмосферные явления, сопровождающие смерчи, иногда необыкновенны и необъяснимы – так же, как и сами смерчи – и всегда удивительны.

2. 6. 1. Звуковые эффекты

Нередко при прохождении смерча звуковые явления достигают необычайной силы. Они очень разнообразны. Звуковые волны, несомненно, возникают внутри смерча или в его непосредственной близости, но как они возникают, каково их строение, – данных нет. Даже простые описания и те достаточно примитивны.

В селе Ильинском Ярославской области перед началом смерча на улице потемнело. Видно было, как что-то темное, кружась, с воем и ревом быстро надвигалось на село. Все бросились по домам. В одном доме старушка-хозяйка со страхом смотрела, как с соседних домов срывало крыши и с корнем выворачивало большие деревья. Стоял ужасный рев и грохот. Когда он кончился и смерч ушел, старушка вышла из дома и радостно сказала: «Как я рада, что мой дом уцелел». Каково было ее удивление, когда, обернувшись, она увидела, что и на ее доме нет крыши. Как оказалось, она ничего не слышала.

Рев, вой и грохот, нередко сопровождавшие смерчи, вызываются звуковыми волнами, по-видимому, образующимися во внутренней полости смерча. Непрерывно отражаясь и накладываясь друг на друга, они достигают необыкновенной силы.

Некоторые наблюдатели сравнивали звуковые явления, сопровождавшие смерч, с раскатами во время канонады на фронте во Франции в первую мировую войну. Другим они казались шипением тысяч змей, третьим – грохотом сотен поездов. В общем, сравнения самые разнообразные, но всегда шум, нарастая постепенно, достигал большей или меньшей силы при приближении смерча, а с его уходом прекращался. Даже когда были молнии, — обычные громовые удары, резкие и внезапные, отсутствовали.

Во время многочисленных смерчей 30 мая 1879 г. , прошедших в Канзасе и Миссури, звуковые явления наблюдались много раз. Они описаны в монографии Файнли. Среди многих десятков приводимых сравнений ни разу не фигурирует сравнение с громовыми раскатами. Их сравнивают с чем угодно, всегда подчеркивая их страшную силу, но ни разу их не сравнивали с громом. Очевидно, природа звуковых волн при смерчах и грозах различна.

В непосредственной близости смерча сила звука ужасна, но при небольшом удалении его она резко ослабевает. Есть, однако, указания на то, что рев смерча был слышен на расстоянии немногих километров.

По-видимому, звуки связаны с воронками, соединяющимися с землей, а висячие воронки беззвучны.

Звуки, подобные шипению тысяч змей и жужжанию миллионов пчел, объясняются вибрацией воздушных масс, вращающихся в смерче. Это предположение доказывается рядом математических расчетов.

Совершенно ясно, что звуки, сопровождающие смерчи, вызываются звуковыми волнами, но природа этих волн, причины их возникновения пока еще не вполне ясны. Весьма вероятно, что, кроме волн в диапазоне, доступном человеческому уху, есть волны, длина которых значительно выходит за пределы этого диапазона, — волны, создающие шумы, которые мы неспособны уловить. Возможно, что эти волны принимают участие в тех разрушениях, которые сопровождают смерчи и ураганы.

2. 6. 2. Электрические явления

Электрические явления различны, иногда сильны и своеобразны, иногда представлены обычными молниями, иногда полностью отсутствуют. По существу, они связаны не со смерчами, а с грозовым облаком, но многочисленные факты показывают, что мощные вихревые движения, порождающие смерчи, значительно усиливают электрические явления и придают им своеобразный характер и необыкновенную интенсивность.

Одно из таких явлений — это шаровые молнии. Во время известного смерча во Франции близ реки Жу 19 августа 1890 г. они наблюдались неоднократно. Еще когда смерчевое облако шло над Францией, его сопровождали многочисленные шаровые молнии. Воздух был настолько насыщен электричеством, что острия железной решетки у одного здания испускали кисти искр. В Швейцарии во время прохождения смерча шаровая молния через разбитое окно проникла в комнату, где были два мальчика. Молния имела вид огненного шара величиной с кулак, фиолетово-красного цвета и медленно плыла по воздуху, приближаясь к ребятам. Они испугались и бросились в соседнюю комнату; младший спрятался под стол, старший побежал вокруг стола; шаровая молния следовала за ним, но, пересекая комнату, приблизилась к открытой двери в коридор и уплыла на улицу без следа и без шума.

Шаровые молнии наблюдаются во время гроз и без смерчей, но последние усиливают их. Фай указывает в одной Франции четыре случая, когда смерчи сопровождались шаровыми молниями.

Интересны описания случаев, когда шаровые молнии проникали внутрь летящих самолетов.

Другие электрические явления, связанные со смерчами, не менее поразительны. Иногда короткие и широкие, листовые молнии окружают смерч. Иногда вся его поверхность светится странным желтоватым сиянием. Иногда в смерчевом облаке наблюдаются шаровидные, синеватые образования типа шаровых молний, но больших размеров и с расплывчатыми очертаниями. Иногда образуются огненные столбы, медленно движущиеся.

Своеобразным явлением, наблюдавшимся в смерчевых грозовых облаках, является пульсовый генератор, описанный в работах Джонса. Это какой-то центр электрической активности, видимый в смерчевом облаке в виде округленного пятна светло-голубого цвета. Оно появляется за 30—90 мин. до образования смерча.

2. 6. 3. Грозовые ливни

Грозовые ливни, сопровождающие смерчи, вернее — смерчевые облака, отличаются необыкновенной силой. Иногда они переходят в явление, на английском языке называющееся <

В пустынных и полупустынных областях, в сухих долинах во время клоудбэрстов выпадает громадное количество воды. В штате Монтана вода, выпавшая в верховьях долины, ринулась вниз стеной около 10 м высоты. В долине паслось стадо овец. Пастух едва успел спастись, но 800 овец погибло.

Такие внезапные потоки нередко переходят в типичные сели и обладают всеми их особенностями и геологическими последствиями. Ливни и наводнения, вызываемые смерчевыми облаками, по своей силе такие же, как и ливни и наводнения, сопровождающие ураганы, но площадь их распространения в десятки раз меньше. Смерчи и сопровождающие их явления всегда имеют местный характер, но повторяемость их в десятки раз больше повторяемости ураганов. Поэтому суммарная деятельность смерчей там, где они часто образуются, представляет важный фактор.

2. 7. Виды смерчей

2. 7. 1. Водяные смерчи

По образованию и строению водяные смерчи ничем не отличаются от наземных.

Водяные смерчи, проходящие над водой, переносят на многие десятки километров морские организмы на сушу. Однажды вместе с дождём у села Кавалерово, недалеко от Владивостока, из тучи падали медузы.

Водяные смерчи наиболее полно описаны Вегенером, Гордоном и Хардом. Распространение их чрезвычайно широко, от Балтийского моря и до залива Св. Лаврентия. Они встречаются в Атлантическом, Индийском и Тихом океанах, от Японии и до берегов Австралии. Обычно они возникают группами из одного материнского облака.

Ливни и молнии, нередко наблюдавшиеся одновременно со смерчами, непосредственно с ними не связаны, но образуются из одного и того же грозового облака. Как и над сушей, водяные смерчи часто сопровождаются громкими звуковыми явлениями — страшным ревом, грохотом, шипением.

Сила ветра различна, но чаще всего небольшая, — слабее, чем у наземных смерчей. Проходя над судами, они обливают их водой, сдирают покрышки, уносят легкие предметы. Более редко они разрушительны, переворачивают или разламывают суда, особенно небольшие.

Часто водяные смерчи стоят почти на месте или медленно передвигаются на небольшие расстояния. Нередко они движутся со скоростью 45—60 км/ч, изредка несутся со скоростью 150—250 км/ч.

Длительность существования водяных смерчей небольшая, обычно 15—20 мин. , часто меньше, изредка до часа и более. Отсутствие пыли и мусора делает смерч невидимым частично, а иногда и полностью.

2. 7. 2. Невидимые смерчи

Смерч представляет собой вихревое движение воздуха. Он становится видимым только тогда, когда воздух содержит воду, пыль, дым, пепел или другие тонкодисперсные вещества. Если же они отсутствуют и воздух чистый, смерч становится невидимым, «слепым». Чаще всего невидима его средняя часть. Хорошо видна воронка, спускающаяся из облака, хорошо виден соответствующий ей куст пыли или каскад воды, но средняя часть, соединяющая воронку и каскад, невидима.

Один из невидимых смерчей прошёл в 1957 г. в Далласе .

Невидимые смерчи развиваются в начальных стадиях существования смерчей. Заполняясь пылью или водой, они переходят в обычные, видимые смерчи.

2. 7. 3. Огненные смерчи

Огненные смерчи получили свое название в связи с тем, что они всегда сопровождают массовые выделения тепла. Такими выделениями являются вулканические извержения, пожары и взрывы.

То, что облака, выбрасываемые во время извержений, дают смерчи, отмечалось неоднократно. Тораринсон приводил три случая, в том числе извержения вулканов Миоджин и Парикутин. Сам он наблюдал образование вихрей над огненной лавой во время извержения Геклы. Весьма вероятно, что над лавой образовывались вертикальные вихри, аналоги пыльных вихрей. Из облаков же спускались настоящие смерчи.

Большую известность получили смерчи, возникшие во время пожара нефтехранилищ в Калифорнии в апреле 1926 г. Во время грозы, сопровождавшейся сильным ветром, молния ударила в нефтехранилище громадных размеров. Произошел сильный взрыв, и нефть запылала. Затем зажглись соседние хранилища, в общем, нефть горела пять дней. Наибольшей силы пожар достиг на второй день, и в этот же день наблюдалось наибольшее количество смерчей.

Судя по фотографиям, в некоторых случаях, так же как у вулкана Сартси, смерч был прозрачным, невидимым; на фотографии видны только облако и каскад.

Немного погодя смерч оформился и принял четко выраженную форму . Все смерчи возникали вблизи пожара и не шли далее 4—5 км от него. Некоторые из них достигали большой силы: один из них поднял в воздух на 1—1. 5 м деревянный дом и перенес его на 50 м в сторону. Дом был полностью разрушен. Иногда они не доходили до моря и втягивались обратно в облако, иногда они соединялись с морем, образуя значительные каскады.

2. 8. Наблюдение смерчей и их последствий

Смерчи наблюдаются во многих странах – в США, Австралии, Новой Зеландии, Японии, Индии, Аргентине, а также в Южной Америке и Европе. Они появляются во время грозы или перед грозой в жаркие весенние или летние дни. В течение года возникает около 1500-2000 смерчей. Примерно половина из них приходится на территорию США.

В США есть так называемая аллея торнадо – полоса наиболее частых смерчей, проходящая через штаты Техас, Оклахома, Канзас, часть Миссури, Арканзаса и Теннесси. Она начинается от побережья Мексиканского залива и проходит к северу и северо-востоку между Скалистыми и Аппалачскими горными хребтами. Влажный и тёплый летний муссон с залива встречается здесь с прохладными воздушными массами, дующими от Скалистых и Аппалачских гор. В городах этих штатов стоят специальные сирены, предупреждающие о появлении торнадо, а дома ещё при постройке снабжаются противоторнадными убежищами.

При прохождении достаточно мощного смерча возникает полоса серьёзных разрушений на местности шириной до 100-200 м. На своём пути смерч вырывает с корнями деревья, разрушает дома, мосты, металлические опоры линий электропередачи. Он поднимает на десятки и сотни метров достаточно тяжёлые 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 облака и выпадают затем оттуда после того, как смерч истощит свою энергию. Смерч может полностью высосать пруд или небольшое озеро, оголить на время дно реки.

Всё это указывает на то, что область внутри смерча является зоной глубокой депрессии (зоной сильно пониженного давления) и характеризуется мощными вихревыми движениями по винтовой линии от земной поверхности к материнскому облаку. То, что область внутри смерча имеет значительно более низкое давление о сравнению с давлением в области смерча, подтверждается характером разрушений домов, задетых смерчем. Они разрушаются, взрываясь изнутри. В момент прохождения смерча давление воздуха внутри дома внезапно оказывается существенно больше, чем давление снаружи дома (т. е. давление внутри смерча). Возникновение резкого перепада давлений взрывает дом (иначе говоря, взрывает его изнутри). Но одного лишь низкого давления в смерче недостаточно, чтобы он мог действовать подобно мощной вытяжной трубе. Сам по себе перепад давлений не смог бы поднять воду по «трубе» смерча выше 10 м. Для подъёма воды (и не только её) на высоту материнского облака необходимо мощное восходящее вихревое движение воздушной массы внутри «трубы» смерча.

Как можно судить об огромной скорости вихря внутри смерча? В настоящее время предпринимаются попытки локационных измерений этих скоростей. Они подтверждают значения скорости порядка 100 м/с. Но ещё до этих исследований были получены данные, что скорости могут быть в полтора-два раза больше. Эти данные получили специалисты по сопротивлению материалов, изучавшие изгибы и разрушения различных предметов, «обработанных» смерчем.

Часто наблюдались случаи, когда мелкая галька проходила через оконные стёкла, не повреждая их вокруг пробоины. Зафиксированы 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 произведённых смерчем разрушений нередко оказывается чётко ограниченной. Известен случай, когда налетевший смерч поднял в воздух корову, а женщина, доившая её, так и осталась сидеть на месте, и возле неё стояло ведро с молоком. Подобных удивительных случаев наблюдалось немало. Из двух находящихся рядом объектов один уносится смерчем, а другой остаётся совершенно невредимым. Это означает, что вихри в смерче весьма чётко локализованы. Вне стенки смерча , снаружи, они отсутствуют. Таковы обычные смерчи, их называют гладкими смерчами. Заметно реже появляются расплывчатые смерчи, обладающие нерезкими, расплывчатыми очертаниями. Ограничимся лишь упоминанием о таких смерчах.

Но оставим в покое разрушения, производимые смерчами, и познакомимся с наблюдениями самих смерчей, сделанными очевидцами. Сохранилось описание смерча, появившегося на окраине Москвы в июне 1904 года:

«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. Вдруг из тучи свесилась серая остроконечная воронка, которая быстро увеличилась в размерах и отвисла к земле. Ещё немного и окончание воронки соединилось с концом 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, не касаясь земли, прошёл хобот смерча. В Канзасе в США в 1930 году невольно оказался таким наблюдателем один из фермеров. Вот как он писал позднее: «Конец воронки повис прямо над моей головой. Из конца воронки шёл гудящий звук. Я взглянул вверх и, к своему удивлению, увидел само сердце смерча. В его середине была 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, перескакивающих с одной части стены на другую. Полость казалась пустой»

А вот свидетельство другого наблюдателя, случайно оказавшегося под воронкой смерча (штат Техас, 1951 год): «Воронка прошла в шести метрах над моей головой. Ширина внутренней полости была около 150 м, толщина стенки – всего 3м. Стенка быстро вращалась. Вращение было видно до самого верха и, очевидно, уходило в тучу. Когда смерч прошёл надо мной и, опустившись, коснулся дома соседа, он в одно мгновение смахнул его».

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 вращением Земли вокруг своей оси (в отличие от циркуляции воздушных масс в тропических и внетропических циклонах). Это вполне естественно – ведь смерч представляет собой локальный вихрь.

Естественно, люди, которые оказывались в центре смерча, погибали. Поэтому нет наблюдений его полости изнутри. Но её видели снизу, когда смерч проходил над головой наблюдателя.

Удивительна способность смерчей втыкать продолговатые предметы (соломинки, палки и др. ) в деревья, стены домов, землю и т. п. Мелкие камни пробивают стекло подобно пулям, выпущенным из револьвера.

Зарегистрирован случай, когда во время прохождения смерча сосновая палка пробила лист железа толщиной около сантиметра.

2. 9. Сравнение вертикальных вихрей и смерчей

По своему виду вертикальные вихри напоминают смерчи, поэтому их иногда объединяют в одну группу со смерчами. Но они принципиально отличны от последних. Смерч – часть грозового облака и с ним связан. Вертикальный вихрь возникает в сильно нагретом у земли воздухе и не имеет никакого отношения к облакам. Он может возникнуть при совершенно безоблачной погоде. Смерч – это двойной вихрь (восходящий в приосевой области и нисходящий в стенке). Вертикальный вихрь стенки вообще не имеет, он представляет собой восходящий по спирали вертикально вверх воздушный поток, возникающий над сильно нагретым участком земной поверхности вследствие мощной конвенции.

Обратим внимание на то, что нагретый воздух поднимается вверх не по прямой линии, а по винтовой, то есть закручиваясь. Закручивание вызывают горизонтальные воздушные потоки, устремляющиеся к зоне депрессии, которая образуется в результате конвенции. Кроме того, могут присутствовать как дополнительный фактор горизонтальные ветры, дующие вблизи зоны депрессии. Внутреннее трение между горизонтальными воздушными потоками и восходящим конвективным потоком как раз и приводит к закручиванию этого потока. Скорости горизонтальных потоков с одной и противоположной стороны зоны депрессии всегда оказываются в той или иной мере разными и могут обуславливать закручивание конвективного потока как в одном, так и в другом направлении.

Вертикальные вихри гораздо меньше и слабее смерчей (диаметр вихря несколько метров, высота несколько десятков метров, скорость вращения в вихре 10-20 м/с). Но они довольно разнообразны. Широко распространены, особенно в жарких пустынях, пылевые вихри. В тёплый день можно наблюдать сразу несколько вихрей, похожих на мачты, которые могут быстро перемещаться вдоль поверхности. Подожгите большую кучу сухой соломы – и вы будете наблюдать огненно-дымовой вихрь. Над водой возникаю наполненные водяной пылью и брызгами водяные вихри. Встречаются и состоящие из чистого воздуха и поэтому невидимые (но хорошо ощущаемые) воздушные вихри.

2. 10. Смерч на других планетах

Смерчи наблюдаются не только на Земле, но и на других планетах Солнечной системы, например на Нептуне и Юпитере. М. Ф. Иванов, Ф. Ф. Каменец, А. М. Пухов и В. Е. Фортов изучали образование торнадоподобных вихревых структур в атмосфере Юпитера при падении на него осколков кометы Шумейкера – Леви. На Марсе сильные смерчи возникнуть не могут из-за разреженности атмосферы и очень низкого давления. Наоборот, на Венере вероятность возникновения мощных торнадо велика, так как она имеет плотную атмосферу, открытую в 1761 М. В. Ломоносовым. К сожалению, на Венере сплошной облачный слой толщиной около 20 км скрывает ее нижние слои для наблюдателей, находящихся на Земле. Советские автоматические станции (АМС) типа Венера и американские АМС типа Пионер и Маринер обнаружили на этой планете в облаках ветер до 100м/с при плотности воздуха, в 50 раз превышающей плотность воздуха на Земле на уровне моря, однако смерчей они не наблюдали. Впрочем время пребывания АМС на Венере было кратким и можно ожидать сообщений о смерчах на Венере в будущем. Вероятно, смерчи на Венере возникают в зоне границы, отделяющей темную холодную сторону очень медленно вращающейся планеты от освещенной и нагретой Солнцем стороны. В пользу этого предположения говорит открытие на Венере и Юпитере грозовых молний, обычных спутников смерчей и торнадо на Земле.

Для классификации смерча в 1971 году была введена шкала Фудзиты (см. приложения). Шкала состоит из 13 категорий: от F0 до F12. Категории торнадо от F6 до F12 были введены в качестве теоретических, и вне зависимости от скорости ветра в торнадо, даже если она превышает 512 км/ч, максимальная присваиваемая категория в любом случае будет F5. Наиболее часто встречаются смерчи категории F1 и F2. Реже — более высоких категорий. Теоретическая скорость смерча шкалы F12 равна скорости звука.

2. 11. Искусственные вихри и смерчи

Громадные искусственные огненные вихри и смерчи были получены Дессенсом-отцом и описаны сыном. Они изобрели специальные нефтяные «метеотроны», дававшие громадное пламя.

Опыты производились на окраине пустыни, на юге Алжира, там, где отроги гор переходили в Сахару. Опыты проводились в различных метеорологических условиях. Группа в 15 метеотронов, расположенная кругом, дало огненный вращающийся столб, настоящий огненный вихрь диаметром 40 м. Вверху огненный столб переходил в дымовой столб, венчавшийся новообразованным облаком.

Затем число метеотронов было увеличено до сорока. Возникший гигантский огненный столб сопровождался чёрным облаком. Из подветренной стороны облака сначала свесились короткие небольшие воронки, но скоро они достигли земли, образовав настоящий смерч.

Эти опыты показали, что вертикальные вихри, смерчи и вращающиеся смерчевые облака – это такие явления, которые человек может создавать сам.

2. 12. Модели вихрей и смерча

Можно ли воссоздать вихрь и смерч в лабораторных условиях? Такой вопрос возник у нас в начале работы. Мы предлагаем вам 4 экспериментальные установки, с помощью которых смерча можно получить даже в домашних условиях.

1. Первую установку образования прямых вихрей предложил Гельмгольц. Он демонстрировал его одним прекрасным опытом. И мы повторили этот опыт.

В дне цилиндрического сосуда сделано небольшое отверстие, заткнутое пробкой. Сосуд наполнен водой. Посредством струй воздуха, направляемых трубкою на один край свободной поверхности воды, приводим жидкость в медленное вращательное движение. Так как циркуляция скорости по окружностям, проведённым из точки на оси цилиндра через одни и те же частицы жидкости, не должны изменяться со временем, то с уменьшением радиусов этих окружностей будет возрастать скорость частиц жидкости. Вращение жидкости по мере приближения к оси будет становиться всё быстрее и быстрее, и мы заметим резко образовавшийся вихрь, над которым появится воронка, всё более и более углубляющаяся.

2. Ещё более интересен способ образования прямых вихрей в воздухе. Воздух, находящийся над поверхностью воды, приводит во вращение с помощью особой быстро вращающейся крылатки, помещённой на некоторой высоте над водою . Воздушный вихрь захватывает по своей оси воду и поднимает её в виде восходящего смерча до самой крылатки.

3. К валу микроэлектродвигателя нужно припаять диск из латуни или жести диаметром 40 мм и толщиной 0,5-1 мм. Диск нужно укрепить строго перпендикулярно валу, чтобы при его вращении не возникали биения.

На дно стакана (или стеклянной банки) диаметром 9 см. и высотой 18 см. нужно прилепить пластилиновую лепёшку толщиной около 5 мм. , на ней укрепить микроэлектродвигатель так, чтобы его вал снизу не касался пластилина. Проводники, идущие от двигателя, следует закрепить на стенке стакана липкой лентой или пластилином. На рис. 21 показана установка, готовая к проведению экспериментов.

Далее в стакан наливают воду, а поверх не – слой подсолнечного масла толщиной 1-2 см. Подсоединяют выводы микроэлектродвигателя к батарейке для карманного фонаря – диск начнёт вращаться, при этом жидкость в стакане тоже придёт во вращательное движение. Через некоторое время граница раздела между водой и маслом начнёт прогибаться вниз, появится заполненная маслом воронка, которая будет расти до тех пор, пока не коснётся диска.

4. Ещё более похожее на настоящий смерч явление можно наблюдать во время следующего опыта, который мы провели дома и смогли получить смерч.

К валу микроэлектродвигателя надо припаять медную проволоку длиной около 25 см. и диаметром 2 мм. К концу проволоки, перпендикулярно к ней, припаять прямоугольную пластинку из латуни или жести размером мм. Получается вертушка.

Включив двигатель, опускаем вертушку вертикально вниз в банку с водой диаметром 15-20 см. и высотой 25-30 см. Вы увидите постепенное образование воронки на поверхности воды. Затем воронка увеличивается. Когда смерч своим нижним концом коснётся вертушки, образуется множество воздушных пузырьков, обозначающих вихрь вокруг вертушки.

Продолжаем эксперимент. Располагаем двигатель так, чтобы его вал с вертушкой находился на оси банки. Вы обнаружите воронку, сползающую вниз по валу, а под вертушкой - продолжение этой воронки, обозначенное воздушными пузырьками .

Опыты показывают, что причиной образования смерча всегда является вихрь в жидкости или газе.

2. 13. Смерч в нашей жизни

В природе смерч имеет разрушительную силу, однако мы регулярно встречаемся со смерчами и вихрями и в быту, которые не приносят нам никакого вреда, а порой мы и вовсе их не замечаем.

Например, когда после того, как мы приняли ванну, мы сливаем воду. При открытом сливе вытекающая из ванны вода создаёт разрежение над ней, что и является причиной образования смерча.

Другой пример: если в наполненной ванне мы направим струи воды из душа горизонтально, то также образуется вихрь.

Мы используем миксер, который, приводя жидкость во вращение, опять же образует вихрь.

2. 14. Немного о смерчах в мире и в России

Смерч в городе Шатурш в Бангладеш 26 апреля 1989, который попал в книгу рекордов Гиннеса как самый трагический за всю историю человечества. Жители этого города, получив предупреждение о надвигающемся смерче, проигнорировали его, в результате чего погибло 1300 человек.

Самый страшный смерч в Америке был в 1925 г. и унес почти 700 жизней и ранил более 2000 человек.

Как мы уже говорили ранее, чаще всего смерчи наблюдаются в Америке. Но смерчи бывают и в России, и притом неслабые.

Самыми разрушительными были смерчи, которые пронеслись по Москве 29 июня 1904 года и по Иваново 9 июня 1984 года. "Пробег" первого смерча составил только 30 километров, а второго - 160.

Из смерчей последних лет следует отметить смерч в подмосковном Краснозаводске 3 июня 2009 г. Буквально в считанные минуты оказались выбиты стекла, вырваны с корнем деревья. Серьезно пострадал рынок и местная школа. Смерч поднял в воздух десятки машин .

А 4 июля 2009 г. смерч прошёлся по Новороссийску. Всего за несколько минут сильнейший смерч повалил более 150 деревьев, повредил 50 домов и около десятка автомобилей. Оторванные металлические листы кровли ветер уносил на десятки метров.

За несколько лет до этого смерч побывал и в нашем районе, близ Новоиерусалимского монастыря. Широкая полоса скрученных, как простые бумажки, расщеплённых и изломанных деревьев до 60см в диаметре тянулась, наверное, километра на полтора .

Заключение

Итак, мы рассказали вам не всё, но многое о таком загадочном природном явлении как смерч, смогли ответить на все вопросы, которыми задавались в начале работы. Смерчи изучены плохо, потому что они непредсказуемы и очень сильны, но, несмотря на это, учёные проводят исследования и уже имеют некоторый объём достоверной информации. С помощью неё, что самое главное, мы можем создавать смерчи. И это позволяет нам узнавать всё больше и больше об этом могущественном, удивительном вихре.