Как образуется торнадо: сдвиг ветра, вращающийся поток и то, чего учёные ещё не знают
Большинство торнадо образуется, когда восходящий поток грозы начинает вращаться, и узкий, яростно вращающийся столб воздуха протягивается от облака до земли. Ветры, меняющие скорость или направление с высотой, скатывают воздух в невидимую горизонтальную трубу, поднимающийся воздух шторма ставит её вертикально, превращая во вращающийся восходящий поток — мезоциклон, и тёплый влажный воздух, питающий его у земли, может позволить торнадо возникнуть. По словам NOAA, учёные пока не до конца понимают последний шаг, и лишь около 20 процентов суперъячеечных гроз порождают торнадо.
Торнадо — одни из самых яростных бурь на Земле и одни из наименее понятых. Это руководство шаг за шагом проходит стандартный «рецепт», а затем прямо говорит, что Национальная лаборатория сильных штормов до сих пор не может объяснить. Здесь также рассказано, как торнадо оценивают, где и когда они происходят и что советуют делать при предупреждении официальные службы, такие как NOAA и Ready.gov. Это общая информация; для вашего дома следуйте указаниям местного отделения Национальной метеослужбы и службы чрезвычайных ситуаций.
Главные идеи
- Торнадо — узкий, яростно вращающийся столб воздуха, протянувшийся от грозы до земли; самый известный «рецепт» — сдвиг ветра, труба воздуха, поставленная вертикально восходящим потоком шторма, и тёплый влажный воздух, который её питает.
- Самые разрушительные торнадо рождаются в суперъячейках, но лишь около 20 процентов суперъячеек их дают; почти 20 процентов торнадо приходится на линии гроз, а наземные и водяные смерчи слабее.
- Торнадо оценивают по ущербу по усовершенствованной шкале Фудзиты (EF) от EF0 (105–137 км/ч) до EF5 (свыше 322 км/ч); самый сильный измеренный в торнадо ветер — 318 миль/ч (около 512 км/ч) в 1999 году.
- В США каждый год бывает около 1 200 торнадо; они случаются во всех 50 штатах, чаще всего с 16 до 21 часа, а «аллея торнадо» — прозвище из СМИ, которое может вводить в заблуждение.
- Предупреждение о торнадо означает «действуйте сейчас»: идите в безопасную комнату или в небольшое внутреннее помещение без окон на нижнем этаже прочного здания и закройте голову и шею; в машине безопасного варианта нет.
Короткий ответ: сдвиг, наклонённая труба и вращающийся поток
Начнём с грозы в атмосфере, где ветер меняется с высотой. NOAA приводит пример: у земли, где ветер тормозит трение о поверхность, он дует с юго-запада со скоростью 5 миль/ч (8 км/ч), а на высоте 5 000 футов (около 1 500 м) над тем же местом — с юго-востока со скоростью 25 миль/ч (40 км/ч). Эта разница, называемая сдвигом ветра, заставляет невидимую трубу воздуха вращаться горизонтально, как скалка, лежащая на боку.
Затем поднимающийся воздух шторма, его восходящий поток, наклоняет эту вращающуюся трубу из горизонтального положения в вертикальное, и область вращения протягивается через значительную часть бури. Такой вращающийся восходящий поток — ключ к суперъячейке, а вращающаяся циркуляция внутри неё, которую видит радар, называется мезоциклоном. Когда восходящий поток вращается и его питает тёплый влажный воздух, поступающий у земли, может образоваться торнадо.
Поэтому торнадо — лишь крошечная часть энергии бури. NOAA отмечает, что на торнадо приходится лишь малая доля энергии грозы, а опасны они тем, что эта энергия сосредоточена на небольшой площади, возможно, лишь в сотню ярдов (около 90 м) шириной. Когда воронка становится видимой из-за конденсации капель воды, пыли и обломков, она выглядит как труба, свисающая из облака.
Чего учёные до сих пор не знают
Национальная лаборатория сильных штормов NOAA говорит прямо: как образуются торнадо, до конца не понято. Почему одна суперъячейка порождает торнадо, а соседняя, которая выглядит так же, нет? Лишь около 20 процентов суперъячеек действительно это делают. Недавние теории из исследовательской программы VORTEX2 предполагают, что когда мезоциклон уже действует, развитие торнадо связано с разницей температур на краю нисходящего потока воздуха, обёртывающегося вокруг него.
Но математические модели показывают, что торнадо может возникнуть и без таких температурных картин, а около некоторых из самых разрушительных торнадо в истории, 3 мая 1999 года, наблюдалась очень небольшая разница температур. Роль нисходящих потоков и распределения температуры и влажности в первые моменты торнадо, называемые торнадогенезом, всё ещё изучают, как и другие источники циркуляции.
Не все торнадо рождаются в суперъячейках. Почти 20 процентов связаны с линиями сильных гроз — квазилинейными конвективными системами (QLCS), которые часто налетают поздно ночью и рано утром и обычно слабее и короче. Наземный смерч (landspout) — торнадо с узкой воронкой, похожей на верёвку, которое образуется, пока грозовое облако ещё растёт и нет вращающегося восходящего потока, так что вращение начинается у земли. Водяной смерч похож, но над водой. NOAA пишет, что ущерб от таких видов обычно не выше EF2.
Как сильно, как широко и как долго: шкала EF
Ветер внутри торнадо трудно измерить, потому что сильные торнадо разрушают приборы. Поэтому с 2007 года Национальная метеослужба оценивает их по усовершенствованной шкале Фудзиты (EF), которая оценивает скорость ветра по ущербу. Она использует 28 индикаторов повреждений, например типы зданий, сооружения и деревья, и для каждого — 8 степеней разрушения. Оценки и их расчётные трёхсекундные порывы таковы: EF0 — 65–85 миль/ч (105–137 км/ч); EF1 — 86–110 миль/ч (138–177 км/ч); EF2 — 111–135 миль/ч (179–217 км/ч); EF3 — 136–165 миль/ч (219–266 км/ч); EF4 — 166–200 миль/ч (267–322 км/ч); EF5 — свыше 200 миль/ч (свыше 322 км/ч).
Самый сильный ветер, когда-либо измеренный в торнадо мобильным доплеровским радаром, составил 318 миль/ч (около 512 км/ч) выше уровня земли 3 мая 1999 года близ Бридж-Крик и Мура в Оклахоме. NOAA пишет, что ущерб от торнадо наносят сильные ветры и летящие обломки; главная угроза для людей — удар обломков и швыряние ветром. Старое представление о том, что низкое давление заставляет здания «взрываться», больше не считается верным.
Большинство торнадо живёт недолго. NOAA сообщает, что типичный торнадо движется со скоростью примерно 10–20 миль/ч (16–32 км/ч), хотя некоторые почти неподвижны, а некоторые идут быстрее 60 миль/ч (около 100 км/ч). Время на земле — от мгновения до нескольких часов, в среднем около пяти минут.
Где и когда бывают торнадо
В США бывает около 1 200 торнадо в год. NOAA предупреждает, что это лишь оценка: официальные записи ведутся только с 1950 года, а способы обнаружения и сообщения менялись. Торнадо регистрировали во всех 50 штатах. Они бывают и в Австралии, Европе, Африке, Азии и Южной Америке; две из самых высоких концентраций за пределами США — Аргентина и Бангладеш, а даже Новая Зеландия сообщает примерно о 20 в год.
«Аллея торнадо» — прозвище, придуманное СМИ для обширной области частых торнадо в центре США, и NOAA говорит, что эта идея может вводить в заблуждение. Угроза смещается с юго-востока в прохладные месяцы на юг и центр Великих равнин в мае и июне и на север равнин и Среднего Запада в начале лета, а сильные торнадо каждый год случаются и за пределами «аллеи».
Пик сезона для южных равнин, таких как Техас, Оклахома и Канзас, приходится на период с мая до начала июня; на побережье Мексиканского залива он раньше, весной, а на северных равнинах — в июне или июле. Но торнадо могут налететь в любое время года и в любое время суток, хотя чаще всего они бывают с 16 до 21 часа.
Наблюдение, предупреждение и что советуют официальные службы
Синоптики могут сказать, когда условия подходят, но не точно где. NOAA объясняет, что торнадо можно предсказать лишь в ограниченной степени: пока нельзя заранее точно сказать, когда и где он возникнет, насколько сильным будет и по какому пути пойдёт. «Наблюдение за торнадо» означает, что условия благоприятны для торнадо, так что следите и готовьтесь. «Предупреждение о торнадо» означает, что наблюдатели сообщили о торнадо или его показал радар и есть серьёзная угроза жизни: действуйте сейчас и ищите безопасное укрытие.
Ready.gov перечисляет признаки торнадо: вращающееся воронкообразное облако, надвигающееся облако обломков или громкий рёв, как у товарного поезда. Во время торнадо немедленно идите в заранее определённое безопасное место: безопасную комнату, построенную по критериям FEMA, или штормовое убежище по стандартам ICC 500. Следующая по надёжности защита — небольшая внутренняя комната без окон или подвал на нижнем уровне прочного здания. Защищайтесь, закрыв голову и шею руками и обложившись мебелью и одеялами или накрывшись ими; держитесь подальше от окон, дверей и наружных стен.
В легковой машине или грузовике, говорит Ready.gov, безопасного варианта нет, есть лишь чуть менее опасные. Если торнадо виден, далеко и движение слабое, возможно, удастся уехать из его пути под прямым углом. Если вас настигли экстремальные ветры или летящие обломки, как можно быстрее и безопаснее остановитесь вне полос движения, оставайтесь в машине пристёгнутым, опустите голову ниже окон и закройте её. Если можно спуститься заметно ниже уровня дороги, выйдите из машины и лягте там, закрыв голову. Не прячьтесь под мостами. Подпишитесь на систему оповещения вашего сообщества и запомните тон сирены.
Как это показывает VJOURNAL SMART BOOK
Глава «Ураганы и торнадо» бесплатного SMART BOOK «Всё обо всём», том II, на VITON13 SCHOOL состоит из пяти коротких эпизодов. Первые три следуют за ураганом — от тёплой морской воды до глаза и пяти категорий. Четвёртый, «Внутри суперъячейки», показывает, как тёплый влажный воздух встречается с меняющимся ветром и ставит вращающуюся трубу воздуха вертикально, и как шкала EF оценивает торнадо по ущербу; последний — как отслеживают бури и где укрыться. Рядом с текстом — живая 3D-картинка, которую можно вращать пальцем или мышью.
Под картинкой — песочница, где вы вводите скорость ветра и читаете категорию урагана; это быстрый способ почувствовать, насколько различается скорость ветра в разных бурях. Глава заканчивается тремя фактами и викториной из трёх вопросов, а каждое число взято из источников, перечисленных ниже.
Простыми словами
Зажмите карандаш между ладонями и сдвиньте одну руку вперёд, а другую назад: карандаш закрутится на боку. Это сдвиг ветра закручивает трубу воздуха у земли. Теперь представьте, что поднимающийся столб тёплого воздуха в грозе упирается в середину этой вращающейся трубы и ставит её вертикально, как карандаш на торец. Торнадо — это узкая, самая быстро вращающаяся часть этого столба, когда она достаёт до земли.
Попробуйте сами
Откройте главу «Ураганы и торнадо» в SMART BOOK «Всё обо всём», том II, прочитайте эпизод «Внутри суперъячейки» и запишите диапазон скорости ветра для торнадо EF3.
Ожидаемый результат
EF3 — это 136–165 миль/ч, то есть 219–266 км/ч.
Проверьте себя: Обследование ущерба показало, что торнадо разрушил прочные дома, а эксперты оценивают его ветер примерно в 240 км/ч (150 миль/ч). Какую оценку EF он получит?
EF3, потому что 240 км/ч попадает в диапазон 219–266 км/ч; оценка выводится из ущерба, а не из измеренного ветра.
Вопросы и ответы
Как образуются торнадо, коротко?
Большинство возникает в суперъячеечных грозах. Ветры, меняющиеся с высотой, создают горизонтальную вращающуюся трубу воздуха, восходящий поток шторма ставит её вертикально, и тёплый влажный воздух, который её питает, может позволить торнадо дотянуться до земли. NOAA говорит, что учёные не до конца понимают последний шаг.
Почему одни грозы дают торнадо, а другие нет?
Точно не знает никто. NOAA отмечает, что лишь около 20 процентов суперъячеечных гроз порождают торнадо, а исследователи изучают роль нисходящих потоков и различий температуры и влажности внутри грозы.
Чем наблюдение за торнадо отличается от предупреждения?
Наблюдение означает, что условия благоприятны для торнадо и сильной погоды, так что нужно готовиться. Предупреждение означает, что о торнадо сообщили наблюдатели или его показал радар и есть серьёзная угроза жизни, так что нужно действовать сейчас и искать безопасное укрытие.
Насколько сильным бывает торнадо?
Шкала EF идёт от EF0 (65–85 миль/ч) до EF5 (свыше 200 миль/ч, свыше 322 км/ч) и оценивается по ущербу. Самый сильный ветер, когда-либо измеренный в торнадо мобильным доплеровским радаром, составил 318 миль/ч (около 512 км/ч) в 1999 году.
Где бывает больше всего торнадо?
В США большинство приходится на центральную часть страны, но их регистрировали во всех 50 штатах и во многих других частях мира, включая Австралию, Европу, Африку, Азию и Южную Америку. За пределами США две из самых высоких концентраций — в Аргентине и Бангладеш. NOAA говорит, что «аллея торнадо» — прозвище из СМИ, которое может вводить в заблуждение.
Можно ли предсказать торнадо?
Лишь в ограниченной степени. Синоптики могут сказать, когда условия благоприятны для торнадо, но пока не могут заранее назвать, когда и где он возникнет, насколько сильным будет и по какому пути пойдёт. Предупреждения выпускают, когда о торнадо сообщили или его показал радар.
Торнадо образуется, когда сдвиг ветра и восходящий поток бури превращают воздух во вращающийся столб, достающий до земли, хотя последний шаг до конца не понят; их оценивают от EF0 до EF5 по ущербу, а предупреждение о торнадо означает: действуйте сейчас, идите на нижний этаж прочного здания, в комнату без окон, и закройте голову. Чтобы увидеть, как глава объясняет всё по шагам, откройте бесплатную главу «Ураганы и торнадо» в VJOURNAL SMART BOOK.
Источники и дальнейшее чтение
- NOAA National Severe Storms Laboratory: Severe Weather 101, Tornado basics ↗Источники проверены:
- NOAA National Severe Storms Laboratory: Types of tornadoes ↗Источники проверены:
- NOAA National Severe Storms Laboratory: Tornado FAQ ↗Источники проверены:
- NOAA National Weather Service: The Enhanced Fujita Scale (EF Scale) ↗Источники проверены:
- Ready.gov: Tornadoes (before, during and after) ↗Источники проверены: