Найбільша загадка смерчу
Смерч зароджується з материнського, або, ще кажуть, смерчевого, хмари, спускається вниз до землі у вигляді довгого хобота, усередині якого швидко обертається повітря. Середні розміри хмари – приблизно 4-5 км у висоту і 5-10 км в поперечнику. Довжина “хобота”, або, інакше, стовпа, становить зазвичай кілька сот метрів.
Тиск у внутрішній порожнині смерчу, як показали численні спостереження і вимірювання, сильно знижений. Тому, коли вона стикається з будинком з замкненими дверима і закритими вікнами, будинок той буквально вибухає від перепаду тиску.
Досі залишається нез’ясованим, чому стовп має щільну, різко окреслену зовнішню межу, подібно пружною стіні. А адже саме цією особливістю пояснюються деякі специфічні прояви торнадо.
У Канзасі 9 жовтня 1913 смерч пройшов по невеликому саду. Вирвав з корінням велику яблуню і розірвав її на шматки. У метрі від яблуні стояв вулик з бджолами – він залишився неушкодженим.
У штаті Оклахома смерч забрав двоповерховий дерев’яний будинок разом з родиною фермера. Житло розвалилося, люди загинули. У будинок вела триступенева сходи, поруч з нею була притулена до стіни лава. І та, і інша залишилися на місці. Мало того, недалеко від сходів стояв старенький “форд”, а під деревом на столі – горевшая гасова лампа. У машини смерч вирвав два задніх колеса, але кузов не зачепив. Лампа ж продовжувала горіти.
У 1904 році смерч обрушився на Москву, несучи великі руйнування. Але якщо вірити газетним репортерам, він зумів перенести живим і неушкодженим хлопчика на 10 кілометрів. Між іншим, очевидців вразила воістину біблійна картина: смерч, перетинаючи Москву-ріку, висмоктував воду до самого дна, та не встигала стулятися, і якийсь час в ній зберігалася траншея.
Перерахування зафіксованих загадкових проявів смерчу зайняло б багато місця. Тому перейдемо до питання – що ми знаємо про нього?
Механізм утворення материнської хмари в принципі відомий. Чому з нього починає опускатися хобот, можна пояснити різною щільністю хмари і навколишнього повітря. А як зрозуміти, що обертання передається по всьому хоботу, ніби це не повітряний стовп, а гумовий шланг? Зауважимо, якщо сам смерч, як цілісне утворення, рухається порівняно повільно – в середньому 40-60 км / год, то утворюють його повітряні маси обертаються незрівнянно швидше. Прямі інструментальні вимірювання, проведені останнім часом, фіксують швидкість 500 км / ч. При цьому виникає тиск більше 1 т / кв. м. Однак отвори без тріщин, пробиті галькою в склі, стовбури дерев, проткнуті трісками, та інші подібні факти змушують припускати, що часто швидкість всередині смерчу значно вище. Залишався незбагненним і феномен розриву швидкості на кордоні швидко обертового стовпа і навколишнього його атмосфери. Не було відповіді і на запитання: якими силами підтримується зустрічна течія повітря всередині хобота – по його осі вгору, а на периферії – вниз?
Фізична природа смерчу досі не отримала вичерпного пояснення, однак найбільш переконливо виглядає модель, розроблена В. Кушина.
Відповідно до цієї моделі, смерч – це нижня частина грозової хмари, яка має швидке обертання навколо вертикальної осі. Спочатку обертання видно тільки в самому хмарі, потім частина його відвисає вниз у вигляді воронки, яка поступово подовжується і, нарешті, з’єднується з землею у вигляді величезного хобота, що має усередині сильне розрідження.
Усередині воронки смерчу повітря розріджене, отже, така воронка може опуститися тільки в тому випадку, якщо її стінки значно важчий за повітря. Якщо на підставі характеру руйнувань припустити, що розрідження в порожнині було 0,5 атм, то, як показують розрахунки, у такого смерчу щільність стінок повинна бути більше 7-8 кг / куб. м – в 5-6 разів більше, ніж у повітря. Що ж може бути щільніше повітря у верхніх шарах тропосфери, де зароджується смерч і звідки він “звалюється” на землю? Тільки вода і лід.
Тому воронка смерчу є особлива форма існування потужного обертового потоку дощу і граду, згорнутого в спіраль у вигляді тонкої стінки конічної або циліндричної форми. Вміст води в стінках воронки по масі повинно у багато разів перевершувати зміст там повітря.
Якщо воронка смерчу володіє масивними стінками, їх обертання повинно призводити до розширення воронки і зниженню тиску повітря всередині неї через дії відцентрових сил. Розширення відбувається до тих пір, поки перепад тиску зовні і всередині не врівноважить дії відцентрових сил.
Воронка присмоктується до земної поверхні, здираючи з неї верхній покрив і забарвлюючись таким чином в колір своєї “здобичі”.
Смерч – дітище грозової хмари. Рясні пари води, що потрапили в хмару з нижніх шарів тропосфери, конденсуються і виділяють теплоту конденсації. За рахунок цього повітря виявляється тепліше й легше навколишнього більш сухого повітря, і вгору спрямовується потужний висхідний потік.
Облік стає різко нестійким, в ньому виникають стрімкі висхідні потоки теплого повітря, які виносять маси вологи на висоту 12-15 кілометрів, і настільки ж стрімкі холодні спадні потоки, які обрушуються вниз під вагою утворилися мас дощу і граду, сильно охолоджених у верхніх шарах тропосфери.
Іноді грозову хмару утворюється в результаті “косого” зіткнення теплого і холодного повітряних потоків, внаслідок чого воно набуває обертання навколо вертикальної осі. У такому хмарі висхідні та низхідні потоки спрямовані не по вертикалі, а закручені навколо спільної вертикальної осі, формуючи особливий двошаровий вихор заввишки 12-15 кілометрів і діаметром 3-5 кілометрів, так званий мезоциклон. Більш холодний і тому більш щільний низхідний потік, просочений дощем і градом, утворює зовнішній шар вихору, а висхідний тепле вологе потік розміщується всередині нього і обертається в ту ж сторону, що й зовнішній шар.
При зіткненні з перешкодою кромка воронки рветься і швидкість її обертання різко зростає. Усередині воронки створюється таке розрідження, що вона в змозі підняти на велику висоту воду безпосередньо з поверхні землі. Якщо вода, потрапивши в материнське хмара, буде перетворюватися в град, то процес захоплення води може стати нестримним, катастрофічним: чим більше буде піднято води, тим більше виділиться тепла, тим потужнішим буде потік висхідного повітря і т. д.
Достатньо всього 200-300 г води на 1 куб. м повітря, щоб через виділення теплоти переходу “вода – лід” температура повітря всередині воронки не падала нижче 0 ° C навіть на висоті 12-15 кілометрів, де мороз досягає 60 ° C. Різкий перепад температур зовні і всередині смерчу і створює ту силу, яка підтримує висхідний і спадний потоки в смерчі. В результаті смерч самостійно, тепер вже незалежно від ресурсів материнської хмари, постачає себе водою, яка йому необхідна і для компенсації енергетичних витрат, і для поповнення її убутку зі стінок. Більш того, смерч часто сам створює над собою нова хмара, яке надалі супроводжує йому, були б тільки на шляху річки, озера, болота.
Який же практичний результат можуть дати наші знання про “анатомію” смерчу? Чи допоможуть вони уникнути створюваних ним небезпек?
Оскільки матеріальним і енергетичним джерелом смерчу виступає материнське хмара, то його знищення запобігло б і виникнення руйнівного хобота. Це можна здійснити, обробивши хмара спеціальним реагентом, що викликає конденсацію вологи і випадання дощу. Подібні операції не рідкість, наприклад розстріл хмар з літака. Зараз, щоб уникнути небажаного граду над полями або садами, а раніше – нерідко і для того, щоб диктор по радіо і ТБ зайвий раз підкреслив: “… ніби сама природа вирішила зустріти свято доброї сонячною усмішкою”. Але такий метод обходиться недешево. До того ж невідомо, яке хмара загрожує стати смерчевим, а яке – ні, і розганяти хмари в небі доведеться вхолосту.
Думається, більш раціонально ліквідувати смерч вже після його зародження. Місце примикання стовпа до хмари, якщо так можна сказати, – найбільш навантажена частина конструкції смерчу. Через неї крутний момент передається від хмари хоботу. Її руйнування призведе до розпаду небезпечного вихору. Змінивши рівновагу між відцентровими силами, що діють через обертання стовпа на його стінки, і доцентровими – за зниженого тиску в середині, ми відірвемо хобот від хмари. Для цього досить зробити у верхній частині стовпа вибух або спалити деякий обсяг палива. Причому міну, яка зруйнує смерч, сам же він завдяки своїй всмоктуючої здатності і доставить до місця призначення.
Можливо, теорія смерчу може послужити створенню нових типів пилососів, вантажно-розвантажувальних пристроїв для сипучих матеріалів, бавовнозбиральних машин і тому подібної техніки. Цікаво також використання моделі смерчу в проектах електростанцій, що працюють за рахунок упорядкованого переміщення теплого приземного повітря в більш холодні шари атмосфери.
(2 votes, average: 2.50 out of 5)