Механизм образования смерчей и торнадо: причины и особенности

Смерчи (торнадо) представляют собой чрезвычайно опасные атмосферные вихри, формирующиеся в мощных кучево-дождевых облаках (Cumulonimbus, Cb) и сопровождающие интенсивные ливневые осадки, часто с грозами. Сущность явления заключается в развитии вращающегося столба воздуха, который опускается из основания облака к поверхности Земли, принимая характерную воронкообразную форму у облачного края. При достижении земной поверхности диаметр вихря заметно увеличивается. Это один из наиболее разрушительных типов ветровых явлений в атмосфере.

Устоявшаяся метеорологическая терминология различает вихри по месту их возникновения: смерчи формируются над водной поверхностью (моря, океаны), тогда как вихри над сушей называют торнадо (в Северной Америке) или тромбами (устаревший термин, преимущественно в Европе). Скорость вращения воздуха внутри воронки может превышать 100 метров в секунду, создавая огромные разрушительные силы. Вращение сопровождается интенсивным спиральным подъемом воздуха вверх; смерчи поднимают воду, образуя водяные столбы, а торнадо засасывают и переносят различные предметы с поверхности земли.

В Северном полушарии вращение воздуха в смерче или торнадо чаще всего происходит против часовой стрелки (циклоническое вращение). Иногда наблюдаются уникальные случаи, когда из одного мощного материнского облака опускаются два вихря одновременно: один в его передней части, другой – в тыловой. При этом направления вращения в этих вихрях противоположны: передний вихрь вращается против часовой стрелки, тыловой – по часовой стрелке (антициклоническое вращение). Существуют данные, что предметы, поднятые передним вихрем, могут выбрасываться в районе действия тылового вихря. Это указывает на сложную трехмерную структуру: вертикальный вихрь, достигший земли, продолжается внутри облака как горизонтальный вихрь, который может вновь опуститься к поверхности в тыловой зоне облачной системы.

Образование такого внутриоблачного горизонтального вихря объясняется взаимодействием мощных восходящих потоков с сильным горизонтальным ветром на высоте. При встрече с таким ветром с подветренной стороны облака может сформироваться вращательное движение. Альтернативный механизм связан с пространственным разделением потоков: если в передней части конвективного облака доминируют восходящие движения (апвеллинг), а в тыловой – нисходящие (даунвеллинг), динамическая разница скоростей и направлений также способна инициировать образование вихря. Эта внутренняя циркуляция является ключевой для развития двойных вихревых систем.

Фундаментальным условием для формирования смерчей и торнадо является сочетание высокой приземной температуры воздуха и значительного влагосодержания в нижних слоях тропосферы при наличии большого запаса влажнонеустойчивой энергии (CAPE - Convective Available Potential Energy). Эти условия оптимально выражены в теплое время года вдоль атлантического побережья Северной Америки, особенно в регионе "Аллея торнадо" (Tornado Alley), где их частота максимальна. Смерчи и торнадо перемещаются вместе с породившим их материнским облаком, сохраняя свою структуру на дистанциях 40-60 километров, хотя известны случаи и более длительного существования. Разрушительная сила вихря обусловлена экстремальными ветровыми нагрузками и резким перепадом давления внутри воронки (эффект закона Бернулли), что приводит к "взрыву" зданий изнутри наружу.

Сведения об авторах и источниках:

Автор: Н. И. Егоров, И. М. Безуглый, В. А. Мнежинский, и др.

Источник: Морская гидрометеорология

Данные публикации будут полезны для курсантав морских учебных заведений и капитанаов/штурманов гражданского флота, интересующимся глубоким пониманием гидрометеорологии