Введение

Выравнивание  перепадов давления в атмосфере  осуществляется путем возникновения  ветров. Ветры дуют из областей высокого давления в области низкого. сила ветра зависит от разности давления.

      Порывы  ветра могут вызвать значительные повреждения. Вихри и ураганы разрушают дома, сносят мосты и другие конструкции, угрожают жизни людей, вызывают лесоповалы.

      В начале прошлого века адмирал Бофорт разработал шкалу для определения  силы ветра в баллах. Этой шкалой пользуются до сих пор. Зависимость  между балльностью ветра и его скоростью выражается уравнением: v=0,88 B^1,44. Ветер начинает вызывать повреждения при скорости около 20 м/с. 

                                  Смерчи 

Смерч – одно из жестоких, разрушительных явлений природы. По мнению В.В. Кушина, смерч - это не ветер, а скрученный в тонкостенную трубу «хобот» дождя, который вращается вокруг оси со скоростью 300-500 км/ч. За счет центробежных сил внутри трубы создается разряжение, и давление падает до 0,3 атм. Если стенка «хобота» воронки рвется, наткнувшись на препятствие, то внутрь воронки врывается наружный воздух. Перепад давлений 0,5 атм. разгоняет вторичный воздушный поток до скоростей 330 м/с (1200 км/ч) и более, т.е. до сверхзвуковых скоростей. Смерчи образуются при неустойчивом состоянии атмосферы, когда воздух в верхних слоях очень холодный, а в нижних тёплый. Происходит интенсивный воздухообмен, сопровождаемый образованием вихря огромной силы.

Возникают такие вихри в мощных грозовых облаках и часто сопровождаются грозой, дождём, градом. Очевидно, нельзя сказать, что смерчи возникают в каждом грозовом облаке. Как правело, это происходит на гране фронтов – в переходной зоне между тёплой и холодной воздушными массами. Прогнозировать смерчи пока не удаётся, и поэтому их появление бывает неожиданным.

Смерч живёт недолго, так как довольно скоро холодная и тёплая воздушные  массы перемешиваются, и таким  образом поддерживающая его причина  исчезает. Однако даже за непродолжительный  период своей жизни смерч может  произвести огромные разрушения.

Физическая  природа смерча очень разнообразна. С точки зрения физика-метеоролога - это скрученный дождь, неизвестная ранее форма существования осадков. Для физика-механика - это необычная форма вихря, а именно: двухслойный вихрь с воздушно-водяными стенками и резким различием скоростей и плотностей обоих слоев. Для физика-теплотехника смерч - это гигантская гравитационно-тепловая машина огромной мощности; в ней мощные воздушные потоки создаются и поддерживаются за счет теплоты фазового перехода вода-лед, которая выделяется водой, захваченной смерчем из любого естественного водоема, когда она попадает в верхние слои тропосферы.

До сих  пор смерч не спешит раскрывать и  другие свои тайны. Так, нет ответов на многие вопросы. Что представляет собой воронка смерча? Что придает ее стенкам сильное вращение и огромную разрушительную силу? Почему смерч устойчив?

Исследовать смерч не просто трудно, но и опасно - при непосредственном контакте он уничтожает не только измерительную  аппаратуру, но и наблюдателя.

Сопоставляя описания смерчей (торнадо) прошлого и нынешнего столетий в России и других странах, можно видеть, что они развиваются и живут по одинаковым законам, но эти законы до конца не выяснены и поведение смерча кажется непредсказуемым.

Во время  прохождения смерчей естественно все прячутся, бегут, и людям не до наблюдений, а тем более измерений параметров смерчей. То немногое о внутреннем строении воронки, что удалось узнать, связано с тем, что смерч, отрываясь от земли, проходил над головами людей, и тогда можно было видеть, что смерч представляет собой огромный пустотелый цилиндр, ярко освещенный внутри блеском молний. Изнутри раздается оглушительный рев и жужжание. Считается, что скорость ветра в стенках смерча доходит до звуковой.

Немногочисленные  статистические данные, которые известны о смерчах, сведены в таблице. 
 
 
 
 

      Ориентировочные параметры смерчей 

Теория  смерча была разработана на основании  достоверного утверждения, что воронка  смерча всегда приходит на землю сверху, а «ослабев», вновь поднимается наверх. Значит вес воронки должен быть больше веса вытесненного ею воздуха, т.е. по закону Архимеда она будет «падать». Тяжелее воздуха в атмосфере может быть только воздух, насыщенный водой и/или льдом. Поэтому правдоподобным будет предположение, что воронка смерча представляет собой вращающийся поток дождя и града, свернутый в спираль в виде относительно тонкой стенки. Содержание воды в стенках воронки должно по массе во много раз превосходить содержание там воздуха. Если плотность сухого воздуха составляет 1,3-1,4 кг/м³, то плотность воздуха, содержащего воду и лед внутри стенок смерча, может составлять 50 и более кг/м³.

Если  воронка смерча обладает массивными стенками, то их вращение должно приводить  к расширению воронки и понижению  давления воздуха внутри нее из-за действия центробежных сил. Расширение воронки происходит до тех пор, пока перепад давления снаружи и внутри не уравновесит действия центробежных сил. Если выделить из стенки площадку S, то снаружи на нее будет действовать сила Dp×S. Равновесие с центробежными силами наступит при условии: Dp×S=mv²/R, где m - масса, приходящаяся на единицу площади стенки; v - скорость стенки; R - радиус воронки.

Приведенное, почти очевидное, условие равновесия стенки воронки приводит к ряду прямых следствий, которые естественно  объясняют многие свойства смерчей.

Смерч может всосать и поднять ввысь  большую порцию снега, песка и  др. Как только скорость снежинок или  песчинок достигает критического значения, они будут выброшены через  стенку наружу и могут образовать вокруг смерча своеобразный футляр или чехол. Характерной особенностью этого футляра-чехла является то, что расстояние от него до стенки смерча по всей высоте примерно одинаково: оно определяется скоростью, которая у всех частиц с одинаковой плотностью оказывается одинаковой. Важный частный случай, когда плотность тела, попавшего в смерч, близка к плотности стенки воронки. В этом случае равновесная скорость для тела совпадает со скоростью стенки. Если тело попадает на внутреннюю поверхность стенки, то на него действует воздушный вихрь, вращающийся внутри воронки, скорость тела возрастает и станет больше равновесной. Тело сместится к внешней поверхности стенки. Здесь под действием трения о внешний воздух тело затормозится, скорость станет меньше равновесной, и тело вновь сместится к внутренней поверхности стенки. Поэтому тела с плотностью стенки оказываются устойчивыми внутри стенок. Таким образом внешний и внутренний поверхностные слои оказываются в совершенно необычных условиях, при которых на них непрерывно действуют силы, стремящиеся убрать их с поверхности и «заглубить» внутрь стенки, т.е. силы, которые по своим свойствам напоминают силы поверхностного натяжения. Эти силы придают стенкам смерча повышенную устойчивость к возмущениям, делают их однородными по плотности, гладкими, четко ограниченными.

Рассмотрим  в первом приближении процессы, возникающие  в грозовых облаках. Обильная влага, попадающая в облако из нижних слоев, выделяет много тепла, и облако становится неустойчивым. В нем возникают стремительные восходящие потоки теплого воздуха, которые выносят массы влаги на высоту 12-15 км, и столь же стремительные холодные нисходящие потоки, которые обрушиваются вниз под тяжестью образовавшихся масс дождя и града, сильно охлажденных в верхних слоях тропосферы. Мощность этих потоков особенно велика из-за того, что одновременно возникают два потока: восходящий и нисходящий. С одной стороны, они не испытывают сопротивления окружающей среды, т.к. объем воздуха, идущего вверх, равен объему воздуха, уходящего вниз. С другой стороны, затраты энергии потоком на подъем воды вверх полностью восполняется при падении ее вниз. Поэтому потоки имеют возможность разгонять себя до огромных скоростей (100 м/с и более).

В последние  годы была выявлена еще одна возможность  подъема больших масс воды в верхние слои тропосферы. Часто при столкновении воздушных масс происходит образование вихрей, которые за свои относительно небольшие размеры получили название мезоциклонов. Мезоциклон захватывает слой воздуха на высоте от 1-2 км до 8-10 км, имеет диаметр 8-10 км и вращается вокруг вертикальной оси со скоростью 40-50 м/с. Существование мезоциклонов установлено достоверно, структура их исследована достаточно подробно. Обнаружено, что в мезоциклонах на оси возникает мощная тяга, которая выбрасывает воздух на высоты до 8-10 км и выше. Наблюдателями было обнаружено, что именно в мезоциклоне иногда зарождается смерч.

Наиболее  благоприятная обстановка для зарождения воронки выполняется при выполнении трех условий. Во-первых, мезоциклон должен быть образован из холодных сухих масс воздуха. В этом случае по его высоте возникает особенно большой температурный градиент, близкий к адиабатическому значению. Во-вторых, мезоциклон должен выйти в район, где в приземном слое толщиной 1-2 км скопилось много влаги при высокой температуре воздуха 25-35^оС, т.е. создано состояние неустойчивости приземного слоя, готового к образованию ячеек с восходящими и нисходящими потоками. Проходя над этими районами, за короткое время мезоциклон засасывает в себя влагу с больших пространств и забрасывает ее на высоту 10-15 км. Температура внутри мезоциклона по всей высоте скачком повышается за счет принесенного влагой тепла, накопленного не только насыщенным паром, но и водяными каплями. Третье условие - это выбрасывание масс дождя и града. Выполнение этого условия приводит к уменьшению диаметра потока от первоначального значения 5-10 км до 1-2 км и увеличению скорости от 30-40 м/с в верхней части мезоциклона до 100-120 м/с - в нижней части.

Для того, чтобы иметь представление о  последствиях смерчей, кратко дадим описание московского смерча 1904 г. и ивановского - 1984 г.

      Над восточной частью Москвы 29 июня 1904 г. пронесся сильнейший вихрь. Его путь лежал неподалеку от трех московских обсерваторий: Университетской - в западной части города, Межевого института - в восточной и Сельскохозяйственной академии - в северо-западной, поэтому ценный материал зафиксировали самописцы этих обсерваторий. По карте погоды в 7 ч утра этого дня на востоке и западе Европы располагались области повышенного давления (более 765 мм рт.ст.). Между ними, преимущественно на юге Европейской части России, находился циклон с центром между Новозыбковым (Брянская обл.) и Киевом (751 мм рт.ст.). В 13 ч он углубился до 747 мм рт.ст. и сместился к Новозыбкову, а в 21 ч - к Смоленску (давление в центре упало до 746 мм рт.ст.). Таким образом циклон двигался с ЮЮВ на ССЗ. Около 17 ч, во время прохождения смерча через Москву, город находился на северо-восточном фланге циклона. В последующие дни циклон ушел в Финский залив, где вызвал бури на Балтике. Если остановиться только на этом синоптическом описании, то причина смерча явственно не проступает.

      Картина несколько проясняется, если произвести анализ распределения температур и воздушных масс. Теплый фронт шел от центра циклона на Калугу, Заметчино и Пензу, а холодный фронт - от центра циклона на Курск, Харьков, Днепропетровск и далее к югу. Таким образом циклон имел хорошо выраженный теплый сектор с массами теплого влажного воздуха при дневных температурах 28-32^оС. Перед теплым фронтом располагался сухой холодный воздух с температурой 15-16^оС. В самой фронтальной зоне температура несколько выше. Контраст температур весьма большой. Расчет показывает, что теплый фронт смещался к северу со скоростью 32-35 км/ч. Образование московского смерча произошло перед теплым фронтом, где при участии тропического воздуха всегда создается угроза возникновения сильнейших гроз и шквалов.

      В тот день была отмечена сильная грозовая деятельность в четырех районах  Московской области: в Серпуховском, Подольском, Московском и Дмитровском, почти на протяжении 200 км. Грозы с градом и бурей наблюдались, кроме того, в Калужской, Тульской и Ярославской областях. Начиная с Серпуховского района, буря превратилась в ураган. Ураган усилился в Подольском районе, где пострадало 48 селений и имелись жертвы. Самые же страшные опустошения принес смерч, возникший к юго-востоку от Москвы в районе деревни Беседы. Ширина грозовой области в южной части Московского района определена в 15 км; здесь буря двигалась с юга на север, а смерч возник в восточной (правой) стороне грозовой полосы.

      Смерч на своем пути произвел огромные разрушения. Были уничтожены деревни Рязанцево, Капотня, Чагино; далее ураган налетел на Люблинскую рощу, вырвал с корнем и сломал до 7 га леса, затем разрушил деревни Грайвороново, Карачарово и Хохловку, вступил в восточную часть Москвы, уничтожил Анненгофскую рощу в Лефортово, посаженную еще при царице Анне Иоановне, сорвал крыши домов в Лефортово, прошел в Сокольники, где повалил вековой лес, направился в Лосиноостровскую, где уничтожил 120 га крупного леса, и распался в районе Мытищ. Далее смерча не было, и отмечена только сильная буря. Длина пути смерча - около 40 км, ширина все время колебалась от 100 до 700 м.

      По  внешнему виду вихрь представлял собой столб, широкий внизу, постепенно сужавшийся в виде конуса и вновь расширявшийся в облаках; в других местах иногда он принимал вид просто черного крутящегося столба. Многие очевидцы принимали его за поднимающийся черный дым от пожара. В тех местах, где смерч проходил через Москва-реку, он захватывал столько воды, что обнажалось русло.

      Среди массы поваленных деревьев и общего хаоса местами удалось обнаружить некоторую последовательность: так, вблизи Люблино лежали три правильно расположенные ряда берез: северный ветер повалил нижний ряд, над ним лег второй, сваленный восточным ветром, а верхний ряд упал при южном ветре. Следовательно, это признак вихревого движения. При прохождении смерча с юга на север он захватил этот участок правой стороной, судя по смене ветра, и вращение у него было циклональное, т.е. против часовой стрелки, если смотреть сверху. Вертикальная составляющая вихря была необычайно велика. Сорванные крыши зданий летели в воздухе, как клочья бумаги. Были даже разрушены каменные стены. В Карачарово снесена половина колокольни. Вихрь сопровождался страшным гулом; его разрушительная работа продолжалась от 30 с до 1-2 мин. Треск валившихся деревьев заглушался ревом вихря.

      В некоторых местах завихренные движения воздуха отчетливо видны по характеру бурелома, но в большинстве случаев сваленные деревья даже на небольших пространствах лежали во всевозможных направлениях. Картина разрушений московского смерча оказалась очень сложной. Анализ его следов заставил считать, что 29 июня 1904 г. через Москву промчались несколько смерчей. Во всяком случае по характеру разрушений можно отметить существование двух воронок, одна из которых двигалась в направлении Люблино - Рогожская застава - Лефортово - Сокольники - Лосиноостровская-Мытищи, а вторая - Беседы - Грайвороново - Карачарово - Измайлово - Черкизово. Ширина пути обеих воронок была от ста до тысячи метров, но границы путей были четкими. Строения на расстоянии нескольких десятков метров от границ пути оставались нетронутыми.

      Сопровождавшие явления также характерны для сильных смерчей. Когда надвигалась воронка, становилось совершенно темно. Темноте сопутствовал страшный шум, рев и свист. Зафиксированы электрические явления необыкновенной интенсивности. Из-за частых разрядов молний погибло два человека, несколько получили ожоги, возникали пожары. В Сокольниках наблюдалась шаровая молния. Дождь и град также имели необыкновенную интенсивность. Градины с куриное яйцо отмечались неоднократно. Отдельные градины имели форму звезды и весили 400-600 г.

      Особенно  велика разрушительная сила смерчей  в садах, парках и лесах. Вот что  писал “Московский листок” (1904,№170). У Черкизово “...вдруг черное облако совершенно опустилось на землю и  непроницаемой пеленой закрыло  митрополичий сад и рощу. Все это  сопровождалось страшным шумом и свистом, ударами грома и беспрерывным треском падающего крупного града. Раздался оглушительный удар, и на террасу упала громадная липа. Падение ее было чрезвычайно странно, так как она попала на террасу через окно и толстым концом вперед. Ураган перебросил ее по воздуху на 100 м. Особенно пострадала роща. В три-четыре минуты она превратилась в поляну, сплошь покрытую обломками огромных берез, местами с корнем вырванных из земли и переброшенных на значительные расстояния. Кирпичная ограда кругом рощи разрушена, причем некоторые кирпичи отброшены на несколько сажен”. 

                  Торнадо и другие атмосферные вихри. 

      Торнадо - это катастрофические атмосферные  вихри, имеющие форму воронки  диаметром от 10 до 1 км. В этом вихре  скорость ветра может достигать неправдоподобной величины - 300 м/с (что составляет более 1000 км/ч). Такая скорость не может быть измерена никакими приборами, она оценена экспериментально и по степени воздействия торнадо. Например, отмечалось, что при торнадо щепка вонзалась в ствол сосны. Это отвечает скорости ветра выше 200 м/с.

      Торнадо бывают связаны с медленно перемещающимися  циклонами (со скоростью поступательного  смещения ниже 30 км/ч) и возникают  на окраинных частях последних. В  других случаях они от циклонов не зависят. Скорость поступательного перемещения торнадо составляет 40 км/ч, это означает, что от него не убежать, можно уехать лишь на машине. Бегство от торнадо, однако, и в этом случае проблематично, так как его трасса абсолютно незакономерна и непредсказуема. Различна и длинна пути торнадо: одни из них исчезают, не пройдя 1 км, траектория других может достигать сотен километров. Торнадо несколько напоминает циклон, например, своим круговым вихревым движением воздуха или тем, что в центре воронки наблюдается низкое давление.

      В пустынях США существуют два вида вихревых ветров - классические торнадо  и так называемые "пустынные  дьяволы". Торнадо связаны с  грозовыми облаками, тогда как  перевернутые воронки "пустынных  дьяволов" не имеют связи с  облачными образованиями.

      Процесс возникновения торнадо до конца  не ясен. Очевидно, они образуются в  моменты неустойчивого расслоения воздуха, когда нагревание земной поверхности  приводит к нагреванию и нижнего  слоя воздуха. Выше этого слоя оказывается  слой воздуха более холодного, такое положение неустойчиво. Теплый воздух устремляется вверх, воздух же холодный в вихре, словно хобот, опускается вниз, к земной поверхности. Часто это происходит над небольшими возвышенными участками в пределах плоского рельефа.

      Существует  шкала, подобно тем, что используются для определения интенсивности  землетрясений или силы ветра, по которой определяют силу торнадо.

      Сильные торнадо оставляют за собой полосу опустошенной земли. С домов срываются  крыши, деревья вырываются с корнем из земли, в воздух поднимает людей и автомобили. Когда путь торнадо пролегает по густо населенной местности, количество жертв достигает значительной величины. Так, 11.04.1965 года над территорией Среднего Запада США возникло 37 торнадо, которые обусловили гибель 270 человек. Торнадо наиболее часто отмечаются в Соединенных Штатах Америки. Они нередки в Индии, Японии, Аргентине, Австралии. В Европе тоже могут возникать сильные торнадо. Опасные вихри образуются иногда в бассейне реки Дона, в кубанских степях. Например, в Ростове-на-Дону 24.08.1953 года случилось торнадо со скоростью ветра 60-80 м/с.

      Статистические  данные о числе жертв торнадо  неточны. За последние 50 лет только в США от них погибало до 30 человек  ежегодно.

      Защита  от торнадо проблематична. Они возникают неожиданно. Определить их траекторию невозможно. Помочь может передача предупреждений по телефону от города к городу. Наилучшая и, повидимому, единственная защита от торнадо - это укрыться в подвале либо в прочном здании.

      Пыльные бури - это атмосферные возмущения, при которых в воздух вздымается огромное количество пыли и песка, перенесенных на значительные расстояния. В сравнении с землетрясениями или тропическими циклонами пыльные бури не представляют, по сути, столь катастрофических явлений, однако их воздействие может оказаться весьма неприятным, а иногда и роковым.

      Как возникает пыльная буря? Клин холодного  воздуха вторгается под слой теплого. Быстро перемещаясь, он поднимает в  воздух много твердых частиц. Они  осаждаются на расстоянии многих километров. Вслед за выпадением пыли обычно сразу же начинает идти дождь.

      Пыльные бури вызывают удушье и приводят к  болезням, от них в значительной мере страдают приборы и любая  техника. Пыльные бури могут разносить  опасных паразитов, которые являются причиной тяжелого заболевания, именуемого болотной лихорадкой.

      Пыльным бурям подвержено несколько областей Земли. Одной из таких областей является центральная и западная часть  Сахары. Расположенной к югу от Сахары области, называемой Сахель, угрожает наступление пустыни. Пыльные бури засыпают здесь песком и пылью растительный покров. Словно вуаль, длиной до 2500 км и шириной 600 км, пыль проникает даже в воздушное пространство над Атлантическим океаном. Пробы, взятые над океаном, показывают, что пыль может распространиться и до Южной и Центральной Америки. Другой значительной областью распространения пыльных бурь является Северная Африка. В большой мере им подвержены страны Аравийского полуострова и соседние с ними Ирак и Сирия. От пыльных бурь страдает и Поволжье, и северные предгорья Кавказа. В особенно сухие годы в атмосферу проникает огромное количество пыли, которая оседает даже на территории Украины. Пыльные бури случаются и в пустынях Средней Азии.

      Метеорологические станции стран, подверженных пыльным бурям, о возможности их возникновения предупреждают в своих сводках. Как правило, пыльные бури происходят при неустойчивой погоде, при прохождении атмосферных фронтов. Пустыня как бы предупреждает о надвигающейся пыльной буре. Сначала спасаются бегством животные, всегда в противоположном от бури направлении, затем у горизонта появляется черная полоса, которая расширяется на глазах. За несколько десятков минут она затягивает весь небосвод. Внутри бури видимость ничтожна. Ощущается резкое понижение температуры, приблизительно на 10 градусов, а за несколько минут до бури обычно начинается дождь.

      Правила пустыне таковы: находясь в автомобиле, закрой окна и оставайтесь внутри машины. Если поблизости нет укрытия, ложитесь головой в направлении, противоположном ветру, лицом к земле. Главное сохранять спокойствие, пыльная буря не представляет смертельной опасности.

Список  использованной литературы

1. Сноу  Д.Т. Торнадо //В мире науки, 1984, №6. С.44-54.
2. Наливкин Д.В. Смерчи. М.:Наука, 1984.
3. Кушин В.В. Смерч. М.: Энергоатомиздат, 1993. 127 с.
4. Железовский Б. Хрестоматия по природоведению. – Саратов: Регион. Приволж. изд-во «Детская книга», 1995. – 352 с.