Как образуется смерч

В продолжении темы о смерчах, сегодня расскажем подробно о жизненном цикле таких вихрей по американской и советской моделям. Обращаем внимание, что речь пойдёт именно о мезоциклонных вихрях, связанных с суперячейками.

Рассмотрим эволюцию торнадо от самого рождения до исчезновения. Подавляющее большинство смерчей связаны с суперячейками - исключительно мощными и долгоживущими грозовыми облаками, поэтому рассмотрим основные процессы в ней, которые способствуют зарождению и поддержанию вихря согласно американской модели. Всего принято выделять 3 стадии в жизненном цикле торнадо:

1. Зарождение. Длительное существование суперячейки (СЯ) поддерживается мощным вращающимся восходящим потоком воздуха – мезоциклоном, который формируется за счёт вертикального сдвига ветра и распространяется на всю толщу СЯ. Также существует отдельный нисходящий поток, вызванный выпадением осадков. Но когда СЯ достигает максимального развития, осадки начинают выпадать и с другой стороны мезоциклона, формируется задняя зона нисходящего потока - RFD (см. на рисунке "а" ниже). Благодаря этой зоне, мезоциклон начинает раскручиваться сильнее и одновременно втягивает более холодный и влажный воздух из зоны RFD. Происходит конденсация всё ниже и ниже под основанием материнского облака, так формируется вращающееся облако-стена – wall cloud (рис. "б"). Если RFD достаточно интенсивен, то двигаясь вниз, он как-бы вытягивает мезоциклон за собой всё ближе к земной поверхности, интенсивность вращения увеличивается, поскольку уменьшается диаметр мезоциклона (закон сохранения количества движения). При этом у земли создаётся локальная область пониженного давления. Из облака-стены начинает выделяться воронка, которая устремляется вниз и становится видимой благодаря конденсации. Вращение передаётся нижележащим слоям воздуха, в результате чего под воронкой возникает вращающееся облако пыли и мусора, устремляющееся навстречу воронке. Так происходит формирование торнадо. Следует отметить, что формирование несуперячейковых смерчей проходит несколько иным образом.

2. На втором этапе, воронка достигает земной поверхности. Это, можно сказать, переломный момент, поскольку если сохраняется приток тёплого и влажного воздуха, то торнадо увеличивается в ширину и скорость ветра в нём также возрастает, пока не достигнет определённого максимального значения, т.е. наступит стадия зрелости. Если же приток влаги и тепла не достаточно мощный, то воронка может обратно втянуться в материнское облако, так и не став полноценным торнадо. Интенсификация продолжается от нескольких минут до более часа. На стадии зрелости торнадо наносит максимальный ущерб. В это время RFD начинает обтекать торнадо, постепенно перекрывая доступ тёплых и влажных потоков, которыми питается смерч (см. рис. ниже).

3. После того, как зона нисходящих потоков перекрывает поступление тёплого воздуха к торнадо, он начинает ослабевать, становится более тонким и похожим на верёвку, наступает последняя стадия – диссипация. Она длится всего несколько минут, после чего торнадо рассеивается. На этой стадии эволюции внешний вид смерча в большой мере зависит от структуры ветра в самой СЯ и может принимать самые разные причудливые формы. Кроме того, поскольку воронка сужается, то скорость ветра в ней может даже увеличиться на некоторое время (по закону сохранения количества движения). Вместе с самим смерчем угасает и мезоциклон, поскольку прекращается поступление тёплого и влажного воздуха.

Хотя это широко распространённая теория эволюции торнадо, она тем не менее не подходит для описания жизненного цикла более мелких вихрей, таких как ландспут, многовихревые торнадо и гастнадо. Они имеют несколько иные механизмы формирования и развития. Однако большая часть смерчей следует процессам, приведённым выше.

Далее представлена советская модель развития смерча, которая имеет некоторые отличия от вышеприведенной американской, но в целом, описывает те же процессы в атмосфере.

==== Жизненный цикл смерча (Советская модель) ====

Имеется ряд гипотез, объясняющих физические особенности образования смерчей. Согласно наиболее распространённой, формирование смерча происходит в два этапа (рис. ниже).

Первый этап - зарождение смерча. Вначале в облачном массиве начинает закручиваться столб восходящего потока воздуха диаметром 10-20 км и в средней тропосфере образуется мезовихрь с пониженным давлением в центре (мезоциклон). Вращение воздуха начинается на высотах 4-8 км, которое затем передается нижним и верхним слоям тропосферы как бы по "трубе". При этом во вращающемся воздухе находятся в равновесии две силы - сила градиента давления, направленная к центру столба воздуха, и центробежная сила, направленная от центра вращения. Возникает так называемый циклострофический баланс, вследствие чего воздух движется вокруг вертикальной оси и в то же время перемещается вдоль нее, радиальные компоненты движения воздуха значительно ослаблены. По мере усиления восходящего потока в нижней части мезоциклона увеличивается конвергенция (накопление воздуха в определённом месте). Вследствие изменения направления ветра с высотой, втекающий воздух дополнительно закручивается вокруг оси столба вращения. Из-за сохранения углового момента, величина которого пропорциональна массе объема воздуха, его скорости и расстоянию от оси вращения, скорость вращения воздуха, приближающегося к оси, возрастает. Воздух, сходящийся в нижней части мезоциклона, вращаясь поднимается с ускорением. При этом происходит растяжение вращающегося столба воздуха по вертикали, и диаметр мезоциклона уменьшается до 2-6 км. Скорость потоков во вращающемся столбе воздуха может достигнуть 30-35 м/с, однако для наблюдателя смерч продолжает оставаться невидимым.

Второй этап - появление смерча, видимого наблюдателем. Па этом этапе формируется ядро смерча. Физика процесса и причины образование смерча особенно неясны. Предположительно, это происходит тогда, когда внутри мезоциклона, ближе к его периферии, сходимость и расходимость воздушных потоков по вертикали проявляется особенно резко. Диаметр этой области составляет не более 1 км. Здесь, как подтверждают измерения с помощью доплеровского радиолокатора, усиление вращения столба воздуха в средней части тропосферы быстро передается вниз, и вихревая труба вытягивается почти до земли. В результате перепада давления, возникающего между ядром смерча и его внешней границей, воздух в сравнительно тонком слое вблизи земли втекает внутрь вихря, где он резко изменяет направление движения и начинает подниматься по спирали вверх. В результате зона наиболее сильных ветров принимает форму кольца. Поскольку трение о землю ограничивает радиальную скорость потока, ядро смерча не успевает заполниться воздухом снизу. Если грозовое облако, с которым связан смерч, становится особенно большим и превращается в суперячейку, то имеющийся в нем мезоциклон может рождать несколько смерчей. Иногда наблюдаются целые семейства смерчей - до восьми вихрей.

Имеются и другие физические гипотезы возникновения смерчей. В частности, одна из них предполагает, что вихревое движение, приводящее к образованию смерча, начинается в облаках в зонах крупного града и высокой концентрации градин в зоне падения.

Также предлагаем посмотреть неплохой видеоролик о смерчах.