Ежедневно мы узнаем все больше печальных новостей о том, как мощный ураган «Харви», свирепствующий на территории Мексиканского залива, вызывает все больше разрушений и уносит всевозрастающее число человеческих жизней. Ураганы, тайфуны — все это практически незнакомо жителям средней полосы, а потому мы решили рассказать вам о том, что же на самом деле представляет собой это стихийное бедствие.
Что такое ураган
У термина «ураган» есть два основных значения. Во‑первых, ураган — это шторм, то есть очень сильный ветер, скорость которого превышает 30 м/с. Часто такие штормы сопровождаются сильными волнениями на море или океане. Однако нас интересует второе, более узкое и привычное значение, согласно которому ураган — это погодная система низкого давления. Она возникает над нагретыми участками открытой воды достаточного размера и сопровождается мощными грозами, ливнями и штормами. Из космоса ураган похож на огромную воронку из облаков: он получает энергию от того, что теплый влажный воздух поднимается вверх, после чего влага конденсируется в форме водяного пара и выпадает дождем, а ставший сухим теплый воздух при этом опускается вниз. Ураганы также называют «циклонами с теплым ядром», поскольку принцип действия полярных и внетропических циклонов совершенно иной.
Штормовой ветер во время тайфуна заставляет море обрушивать на береговую линию волны огромного размера
Само слово «ураган» происходит от имени майянского бога ветра — Хуракана. Существует и еще одно популярное название урагана — «тропический циклон ». А вот в Японии и на Дальнем Востоке ураганы называют тайфунами . Они возникают и поддерживают свою силу только над поверхностью крупных водоемов, и если ветер снесет ураган на сушу, тот быстро исчерпает себя. Поэтому сильнее всего от стихии страдают именно прибрежные районы, но ливневые дожди, порожденные ураганами, часто вызывают обширные наводнения даже на расстоянии 40 км от берега. Несмотря на то, что тропические циклоны часто наносят огромный ущерб инфраструктуре, абсолютным злом их назвать нельзя. Во‑первых, именно благодаря ураганам в некоторых районах Земли прекращается засуха и возобновляется растительный ландшафт. Во‑вторых, тропические циклоны переносят большое количество энергии от экваториальных широт в направлении умеренных, что делает их важной составляющей глобальных процессов циркуляции атмосферы. Это приводит к уменьшению температуры на различных участках поверхности планеты, так что она избегает перегрева и сохраняет стабильно-умеренный климат.
Из чего состоит ураган: глаз бури
Схема строения урагана: красными стрелками показаны потоки теплого воздуха, синими — постепенно остывающего
Глаз бури (или просто «глаз») — центральная часть циклона, в которой теплый воздух опускается вниз. Как правило, он сохраняет правильную круглую форму, а его диаметр может достигать от 3 до 370 км, но в среднем размеры глаза составляют 30−60 км. С ним связан интересный «эффект стадиона»: у крупных циклонов верхняя часть глаза заметно шире нижней, что при наблюдении изнутри ив самом деле напоминает по форме трибуны стадиона.
У крупных циклонов глаз обычно чистый и небо в нем ясное; у мелких он может быть частично или полностью затянут тучами, что характеризуется значительной грозовой активностью.
Стена глаза
Стену глаза бури можно увидеть или изнутри урагана, или на фотографиях космических спутников
Фактически, глаз — это отверстие, которое формирует кольцо плотных грозовых кучевых облаков. Здесь облака достигают наибольшей высоты, но максимальная скорость ветров достигается не на вершине стены, а на небольшой высоте над поверхностью воды или суши. Помните ролики из Сети, где сильнейший ветер отрывает от земли небольшие постройки и сдувает автомобили? Именно такой разрушительной силой обладает стена урагана, проходящая над населенным районом.
Сильные циклоны (категории 3+) за все время своего существования несколько раз меняют стену. При этом старая стена сужается до 10−25 км, и ей на смену приходит новая, большего диаметра. Смена стены — хороший знак: во время каждой такой процедуры циклон слабеет, но стоит иметь в виду, что после окончательного формирования новой стены он быстро наберет прежнюю силу.
Внешняя зона
Широкое полотно урагана состоит из так называемых дождевых полос — линий плотных грозовых кучевых туч, которые медленно расходятся от центра циклона. Стена и внешняя зона — это область, в которой влажный воздух поднимается наверх сквозь циркуляционные ячейки, но все они меньше центральной.
Что происходит, когда ураган достигает суши? Увеличение трения о поверхность вызывает концентрацию потоков воздуха и, как следствие, ливневые осади.
Впрочем, этими категориями ураган не ограничивается. За счет центробежного движения воздуха он формирует облачный покров даже на очень больших высотах. Облака эти имеют мало общего с плотным кучевым покровом стены и внешней зоны: легкие и перистые, они быстро движутся от центра циклона и постепенно исчезают. Именно они могут стать первым сигналом, предупреждающим о скором пришествии циклона.
Ураган «Харви»
Последствия урагана «Харви»: магистрали превратились в бассейны с грязной водой
Так чем выделяется среди своих собратьев «Харви », в настоящее время превращающий Техас в покрытую водой пустошь? Для начала, это сильнейший ураган в Мексиканском заливе после знаменитой «Катрины», обрушившейся на Соединенные Штаты в 2005 году. Первоначально ему была присвоена четвертая категория по шкале Саффира-Симпсона. Это так называемый «огромный ураган »: скорость ветра на его территории достигает 50−70 м/с, а затопляемая зона находится на высоте до 3 метров над уровнем моря, при этом наводнения распространяются на десять километров вглубь суши.
В последний день лета Национальная метеорологическая служба США сообщина, что «Харви» ослаб и перешел из состояния тропического шторма в состояние «тропической депрессии»: скорость ветра значительно упала, но обильные осадки до сих пор продолжаются. Остается надеяться, что в скором времени циклон и вовсе сойдет на нет: в настоящее время федеральные власти затрудняются назвать даже приблизительную оценку урона, который причинила стихия на всем своем пути.
Смерчи и ураганы.
Известный кинорежиссёр Э.А. Рязанов прекрасно сказал стихами:
"У природы нет плохой погоды
Всякая погода - благодать.
Дождь и снег, любое время года
Надо благодарно
принимать."
Мы полностью соглашаемся с этими добрыми, полными любви к родной природе словами Эльдара Александровича. Однако должны заметить, что иногда погода портится до такой степени, что становится мало похожей на благодать. К сожалению, это случается нередко. Мы имеем в виду такие погодные явления, как смерчи и ураганы.
Смерч - это атмосферный вихрь с вертикальной, иногда изогнутой осью вращения. Он возникает из-за неустойчивости атмосферы на границе раздела тёплого и холодного воздуха. Смерч, как правило, рождается из дождевой тучи. Эта туча называется материнской и обычно находится на высоте до 10 километров, т.е. на границах раздела, которые отделяют воздушные массы с различной скоростью ветра, с разными температурами и влажностью воздуха. Из тучи холодный воздух опускается на поверхность земли, навстречу тёплому воздуху, поднимающемуся вверх. Возникает вращательное движение воздуха - смерч. Внутри смерча давление сильно падает - до величины ниже 700 мбар (нормальное атмосферное давление равно 1013 мбар). Смерч, опустившись на поверхность земли, с шумом закручивает и словно гигантский пылесос засасывает в себя пыль, песок, воду, траву, камни и другие предметы.
Движутся смерчи с той скоростью, с которой их гонит ветер: 30-60 км/час. Среднее расстояние, которое проходит смерч - около 25 километров, а средняя ширина захвата смерча (своего рода средний диаметр) составляет 150 метров.
Смерч оценивается в баллах от 0 до 5 в зависимости от его интенсивности и вызываемых последствий (разрушений). Интенсивность смерча обусловлена скоростью внутреннего ветра, которая может составлять от 18 до 140 метров в секунду. Поэтому характер разрушений, причиняемых смерчем, бывает самый различный - от слабых до катастрофических.
В Америке и Западной Европе используются термины "торнадо" и "тромб". Эти слова являются синонимами слова "смерч", т.к. обозначают одно и то же явление - вращающийся вихрь (tornado по-испански "вращающийся", tromb по-французски "труба" - форма вихря по вертикали). Кстати, направление вращения воздуха в воронке смерча в северном полушарии - против часовой стрелки, а в южном - по часовой стрелке, что является результатом действия т.н. силы Кориолиса, зависящей от вращения Земли. Действие этой силы вы можете наблюдать ежедневно, когда из ванны выпускаете воду: возникший водоворот закручивается против часовой стрелки (мы обращаемся в данном случае к жителям северного полушария нашей планеты).
Если говорить о территории России, то здесь смерчи - довольно редкое явление. В среднем они случаются два раза в год, обычно летом (июнь-июль) и чаще всего - после полудня, т.е. в часы максимального переноса тепла и воздушных масс в атмосфере.
Вот несколько примеров смерчей, случившихся в России. Самыми разрушительными были смерчи, которые пронеслись по Москве 29 июня 1904 года и по Иваново 9 июня 1984 года. "Пробег" первого смерча составил только 30 километров, а второго - 160. Смерч 1904 года в московском парке Сокольники повалил почти все деревья, а некоторые из них вырвал с корнями. В Иваново смерч прошёл полосой в 500 метров в направлении на север, срывал крыши домов, валил деревья, столбы и опоры линий электропередач, переворачивал вагоны, не говоря уже об автомобилях.
Самым большим по диаметру - до 1 километра был смерч, который прошёл по Башкирскому заповеднику в июле 1935 года.
Если для России смерчи - редкость, то в США торнадо (так здесь обычно называют смерчи) - сущее национальное бедствие: ведь в среднем по стране они случаются не реже двух раз в день (!) Видимо, такова "расплата" США за их географическое положение между льдами Аляски и Канады и тёплым Мексиканским заливом.
Теперь коротко об ураганах. Ураган - это ветер со скоростью более 33 метров в секунду (т.е. 120 км/час и больше), дующий продолжительное время (несколько часов и даже суток).
По международной шкале Бофорта скорость ветра оценивается баллами: всего 17 баллов, включая нулевой. Нулевым баллом оценивается штиль - скорость ветра равна 0,0 - 0,2 м/с; видимое действие ветра - дым поднимается вертикально, листья на деревьях неподвижны.
Ветер в 11 баллов имеет скорость 28,5 - 32,6 м/с и
характеризуется как жестокий шторм, несущий большие разрушения.
Ветер в 12 баллов имеет скорость 32,7 - 36,9 м/с и характеризуется как ураган,
несущий опустошительные разрушения.
Баллами 13-17 оцениваются ураганы со скоростями ветра 37 м/с и больше.
В метеорологии используется также понятие шквального ветра или шквальной бури. Так называют ветры, которые быстро (в течение 10-15 минут) достигают ураганной скорости (33 м/с) и так же быстро теряют эту скорость до 1-2 м/с.
Последствиями шквального ветра на суше могут быть разрушения лёгких построек, перевёрнутые автомобили, поваленные деревья, а на море шквальный ветер грозит реальной катастрофой даже крупным судам.
Существует также шкала категорий ураганов, так называемая шкала Саффир-Симпсона. Эта шкала делит все ураганы на пять категорий в зависимости от атмосферного давления в глазе (т.е. в центре), скорости ветра и причиняемого ущерба.
К урагану первой (низшей) категории относится ураган со скоростью ветра 34-42 м/с при давлении в глазе свыше 980 мбар; причиняемый ущерб - незначительный. Ураган пятой (высшей) категории характеризуется атмосферным давлением в глазе ниже 920 мбар и скоростью ветра выше 68 м/с (выше 245 км/час); причиняемый ущерб - колоссальный.
Тайфуны - опасное явление природы.
Отдельно нужно рассказать о таких явлениях, как тайфуны. Это тоже атмосферные вихри, но порождаются они тропическими циклонами. Циклон - это область пониженного давления в атмосфере с минимумом в центре. Основным районом возникновения тропических циклонов является акватория всех океанов, примыкающая к экватору и заключённая между параллелями 10-20 градусов северной и южной широт. Тропический циклон образуется там, где поверхность воды имеет высокую температуру (27°С и выше), превышающую температуру прилегающего воздуха на 2-3°С и более.
Тёплый и влажный воздух поднимается вверх, и огромные его массы за счет вращения Земли начинают круговое движение с одновременным смещением в район более низкого атмосферного давления. При значительном перепаде давления между серединой и периферией циклона скорость ветра вокруг середины быстро возрастает. Если она достигает ураганной силы - 33 м/с и более, а в отдельных случаях - до 100 м/с, это означает, что циклон превратился в тайфун. Такова упрощенная схема образования тайфуна.
Тайфуны отличаются огромными размерами: их поперечник (ширина захвата) достигает 300-700 километров, а в отдельных случаях - до 1000 км, высота - от 5 до 15 км. Тёплый и влажный воздух, поднявшийся вверх, образует над районом тайфуна дождевые облака, несущие огромное количество воды. Принесённые тайфуном проливные дожди продолжаются часами и нередко приводят к наводнениям.
Зародившиеся в северо-западной части тропической зоны Тихого океана тайфуны демонстрируют свою разрушительную мощь на южных берегах Китая и Кореи, на севере Вьетнама, на восточных берегах Японии и Курильских островов. Не оставляют они в покое и Приморский край России, а также Сахалин и Камчатку.
Название "тайфун" по-китайски означает "сильный ветер" и используется для обозначения тропических циклонов, буйствующих в только что перечисленных районах. Циклоны подобной силы, бушующие в восточной части Тихого океана и в Атлантике, называют ураганами, а такие же явления у берегов Индостана называют штормами или просто циклонами.
Циклоны возникают и в умеренных широтах, хотя значительно реже, чем в тропических. Конечно, не каждый циклон набирает ураганную силу и превращается в тайфун. Ежегодно на земном шаре бушует в среднем 20-25 тайфунов.
Циклоны - это гигантские возмущения атмосферного воздуха, связанные с резкими колебаниями давления и температуры воздушных масс. Эти колебания, а значит, и колебания погоды в огромных районах Земли, зависят в основном от взаимодействия океана и атмосферы, от характера обмена энергией и влагой между ними. Механизм зарождения циклонов не совсем ясен. Очень сложно с достаточной степенью достоверности определить, где и когда возникнет циклон, т.к. среди прочих факторов необходимо учитывать не только общий характер циркуляции атмосферы, но и особенности воздушных течений в каждом конкретном районе. Исследования циклонов затруднены, в частности, и тем, что обычно не удаётся своевременно доставить научную аппаратуру к месту события: циклоны существуют всего несколько суток (по крайней мере - в начальной стадии). Кроме того, на Земле, особенно в акватории океанов, есть немало труднодоступных районов, куда доставить научную аппаратуру вообще нет возможности.
В последние годы исследования циклонов становятся более эффективными за счёт использования специальных аэрозондов, оснащённых необходимыми измерительными приборами и спускаемых по команде с Земли с космических аппаратов, производящих мониторинг соответствующих районов акватории Мирового океана.
ПроявленияВихревое движение жидкостей и газов широко распространено в природе. Вихри на воде и в воздухе видел каждый. Однако даже полноценное определение этого движения трудно дать для неспециалиста, а неизученных особенностей в нём столько, что хватит ещё не одному поколению учёных. Метеорологи, занимаясь прогнозом погоды, постоянно имеют дело с гигантскими атмосферными вихрями.
Атмосферный вихрь – это атмосферное образование с вращательным движением около некоторого центра. Если к центру давление воздуха уменьшается, то такой вихрь называется циклоном. Циклоны умеренных широт являются главными виновниками нашей плохой погоды. Но самый грозный и опасный класс атмосферных вихрей – тропические циклоны. В разных регионах тропической зоны эти вихри называют по-разному. «Ареалы обитания», а также их местные названия показаны на рис. 1. Нашей стране угрожают только тайфуны – тропические циклоны Тихого океана, поэтому наши метеорологи часто все тропические циклоны называют тайфунами. В этой статье мы также будем придерживаться этой терминологии. Эффектнее всего тайфуны выглядят на спутниковых снимках.
Рис. 1. «Ареалы обитания» тропических циклонов и их местные названия
Ввиду того, что каждый отдельный
тайфун потенциально очень опасен, метеорологи
внимательно следят за ними с момента зарождения,
обмениваясь полученной информацией. При таком
обмене важно кратко и точно обозначить объект,
поэтому ещё во время Великой Отечественной войны
американские военные синоптики стали называть
тайфуны короткими женскими именами в алфавитном
порядке. Но тропических циклонов на Земле каждый
год бывает более сотни, причём только около 60% из
них именно тайфуны. Возникают они почти весь год
– летом, осенью и зимой (в соотношении примерно 20: 10: 1), – поэтому возникли дополнительные
требования к удобству хранения и каталогизации
информации. Сейчас идентификация тропических
циклонов каждого региона ведётся по строгим
правилам с использованием стандартных списков
имён, принятых Всемирной метеорологической
организацией.
Все тропические циклоны и особенно тайфуны (обычно самые большие из них) страшны, если они выходят на населённое побережье. Обратимся к рис. 2, где схематично показано, как обычно движется тайфун в Северном полушарии. От места возникновения он перемещается на запад, постепенно отклоняясь к северу. Угол поворота бывает разным, поэтому тайфун может с примерно равной вероятностью либо пройти вдоль побережья и устремиться на северо-восток, чтобы в умеренных широтах превратиться в обычный циклон (рис. 2 а ), либо выйти на побережье (рис. 2 б ), и там, превратив всю свою мощь в разрушения, затухнуть, либо уйти в океан и постепенно исчезнуть там. Именно прогноз траектории тайфуна и представляет особую важность и сложность.
Рис. 2. Схема движения тайфуна в Северном полушарии
Ветер – это первый опасный фактор. На рис. 2, а короткими стрелочками показан ветер в движущемся тайфуне. Там, где они сгущаются, скорость ветра возрастает. Он так силён, что метеорологические приборы ломаются, и максимальные скорости ветра в большинстве случаев определены именно по характеру разрушений. Только в центральной части – «глазе» – ветер вдруг стихает. Но эта часть обычно очень мала по сравнению с диаметром самого тайфуна.
Волнение – это второй опасный фактор. На рис. 2, б показаны три зоны волнения океана в тайфуне. Поскольку энергия волн черпается из энергии ветра, то волнение затухает в зоне I, откуда тайфун уходит и где ветер ослабевает. Там направление перемещения циклона противоположно направлению ветра, вращающегося вокруг центра против часовой стрелки (в Северном полушарии). В зоне II, которая смещается вместе с тайфуном, ветер силён, а волны могут разгоняться, далеко опережая сам тайфун. Самые высокие и опасные волны в зоне III, где ветер наиболее силён из-за сложения скоростей вращательного и поступательного движений. Именно правая тыловая четверть тайфуна наиболее опасна для моряков.
Третий фактор угрозы тайфуна, помимо ветра и волн, – это ливневые дожди с грозой и градом. Вследствие того, что передняя часть перемещающегося циклона оказывается всегда теплее, чем тыловая, которую сам циклон и охлаждает, ливни, грозы и град сильнее всего именно там. Зона ливней для тайфуна, перемещающегося слева направо, схематически показана на рис. 2, г . Этот рисунок сам по себе интересен, т.к. построен японскими метеорологами по уникальным гидрометеорологическим наблюдениям, сделанным японскими военными моряками в 1935 г., когда одна из эскадр японского флота попала в тайфун и понесла большие потери в людях и кораблях. Более 20 лет эти материалы были военной тайной и ещё долгое время после оставались единственными массовыми наблюдениями за погодой внутри тайфуна.
Опираясь на сказанное, можно представить себе, что случается, когда тайфун выходит на побережье. Для большей наглядности нужно обратиться к рис. 2, в , на котором условно изображена зона затопления волнами. За несколько часов до прихода тайфуна к берегу добегают волны из зоны II, вызывая сгонно-нагонные изменения уровня воды, показанные штриховой линией.
Затем приходят мощные кучевые облака, и начинаются ливни с грозой и градом. Они продолжаются всё время, пока тайфун движется над районом. Передняя зона ливней уже уходит в глубь побережья и вызывает там паводковые волны в текущих к берегу океана реках. Но на смену ей на побережье приходят волны из зоны III, ещё более сильные грозы и ливни как из ведра, которые могут продолжаться, пока тропический циклон не уйдёт, т.е. несколько часов и даже суток. При этом дует очень сильный ветер. В это время по рекам, впадающим в океан в этом районе, проходят паводковые волны. Берег оказывается атакованным водой не только со стороны океана, но и со стороны рек. А если в это время наступает ещё и прилив, то возникают катастрофические наводнения.
Особенно ужасные события происходят, если выход тайфуна приходится на низкий равнинный берег. Такие географические условия характерны для Бангладеш, страны, на 90% представляющей собой болотистую равнину в дельте двух многоводных рек – Ганга и Брахмапутры. Перепады уровня воды в их низовьях только за счёт дождей доходят до 10–12 м. Тропический циклон 1970 г. погубил в Бангладеш более 300 000 человек.
ФизикаТайфун представляет собой самоорганизующуюся структуру в движущемся атмосферном потоке. Физика его очень сложна и далеко ещё не полностью изучена. «На пальцах» можно объяснить только самые основные особенности строения и образования этого вихря. Главное, чтобы в средней части тропосферы образовалась более тёплая, чем обычно, область. Этому особенно благоприятствует конвекция над огромными пятнами воды, имеющими температуру на 1–2 °С выше окружающей. Такие пятна иногда возникают и долго сохраняются в океане.
Поскольку в тёплом воздухе давление с высотой падает более медленно, чем в соседних районах, над тёплым ядром в верхней тропосфере образуется область повышенного давления, а под ним, у поверхности Земли (океана), давление оказывается пониженным. Под влиянием силы градиента давления в верхних слоях начинается отток воздуха от центра к периферии, а это приводит к потере массы воздуха в атмосферном столбе, и, в свою очередь, вызывает ещё большее понижение давления у поверхности под тёплой областью. Так у поверхности океана возникает сила барического градиента, направленная к центру области прогрева.
На вращающейся Земле силу барического градиента стремится уравновесить сила Кориолиса, и под действием этих сил около области пониженного давления возникает криволинейное движение воздуха по концентрическим траекториям, направленное (в Северном полушарии) против часовой стрелки. В таком движении возникает центробежная сила, возрастающая к центру. Баланс этих трёх сил возможен только на определённом расстоянии от центра. На этом расстоянии и формируется зона сильнейших круговых ветров. Более близкие к центру воздушные частицы отбрасываются центробежной силой к этой зоне изнутри. Более далёкие от центра, расположенные там, где центробежные силы меньше, чем сила градиента давления, подталкиваются к зоне сильных ветров.
Поскольку зона равновесия становится областью, куда стремится воздух с обеих сторон, втянутый туда поток начинает подниматься и охлаждаться. Водяной пар, содержащийся в притянутом воздухе, конденсируется и образует кольцо кучево-дождевой облачности и осадков вокруг центра тропического циклона. Так возникает стена облаков, окружающая глаз тайфуна. Скрытая теплота конденсации создаёт дополнительный нагрев, необходимый для дальнейшего понижения давления в нижних слоях тропосферы. В области центра, по краям которой воздух втягивается в стену, возникают компенсационные нисходящие токи, также способствующие дополнительному нагреву и дальнейшему падению давления. Давление по области глаза выравнивается, сила барического градиента уменьшается, и ветер стихает. Так формируется глаз тайфуна.
Воздух, втягиваемый в стену глаза от периферийной части тайфуна, собирает с поверхности океана испаряющуюся воду и приносит её к зонам подъёма, где она отдаёт тепло в процессе подъёма и конденсации. Так возникает почти неисчерпаемый источник энергии тайфуна. После конденсации воздух, поднявшийся в стене, оказывается высоко над центральными областями тайфуна, в области высокого давления. Оттуда он растекается по верхним слоям атмосферы, унося избыточное тепло.
Важнейшие стадии эволюции тайфуна – от начала до максимального развития – показаны на рис. 3: вертикальные разрезы облачности (слева), изобары приземного давления (в средней части) и изобары на высоте верхней части тайфуна (справа). Это очень упрощённое описание можно дополнить, используя многочисленные материалы, помещаемые в интернете, которые несложно найти на русском и особенно на английском языках.
Рис. 3. Развитие тайфуна, начиная от его зарождения (стадия I, верхний ряд рисунков) до максимума (стадия IV, нижний ряд): вертикальные разрезы облачности (левая колонка), изобары приземного давления (средняя колонка), изобары в верхней части циклона (правая колонка)
На уровне, доступном школьникам, трудно сделать хорошие количественные оценки параметров тайфунов. Как показал акад. Г.С.Голицын, даже определение запасов энергии в них требует высочайшей квалификации. Тем не менее некоторые интересные расчёты можно сделать, представив небольшой тайфун в виде вращающегося цилиндра радиусом основания R = 3 10 5 м и высотой h = 12 км. Полезно отметить, что площадь основания такого цилиндра S 0 = 3 10 11 м 2 , а боковой поверхности S b = 3 10 10 м 2 , т.е. он напоминает блин. Эта форма характерна для всех крупномасштабных атмосферных вихрей.
Метеорологи обычно используют в качестве параметра не высоту, а давление (в гектопаскалях), связанное с высотой законом гидростатики р = g h . Произведение средней плотности слоя атмосферы на высоту h представляет собой массу m атмосферного столба площадью сечения 1 м 2 . Давление на нижней границе тайфуна можно принять равным р 0 = 1000 гПа, а на верхней р h = 200 гПа (это соответствует высоте 12 км). Тогда масса единичного столба в тайфуне вычисляется по формуле m = (р 0 – р h )/g и равна примерно 8 10 3 кг/м 2 (не забывайте переводить давление в паскали и округлять результаты до целых единиц!). Теперь можно вычислить массу тайфуна M = S 0 m 2 10 15 кг.
Зная массу, можно вычислить момент инерции тайфуна I по отношению к вертикальной оси симметрии. Для цилиндра I = MR 2 /2 10 25 кг м 2 . По результатам наблюдений за радиусами областей с заданным значением скорости ветра в тайфуне можно оценить угловую скорость вращения воздуха = /R 5 10 –4 c –1 . Это примерно на порядок больше, чем значение вертикальной составляющей вектора угловой скорости вращения Земли в этих широтах 4 10 –5 c –1 . Таким образом, момент количества движения тайфуна I 5 10 21 кг м 2 /c.
Теперь можно оценить кинетическую энергию тайфуна E. Используя формулу для тела вращения, получим E = I 2 /2 10 18 Дж 10 12 кВт ч. Для сравнения полезно привести прогнозируемое значение энергопотребления всего мира в 2025 г.: 25 10 12 кВт ч.
Если принять полученную акад. Г.С.Голицыным оценку характерного времени восстановления запаса кинетической энергии в тайфуне (1 сутки, или 10 5 с), то мощность тайфуна можно принять равной 10 13 Вт. (Для сравнения: мощность одного агрегата Ленинградской АЭС равна 10 9 Вт.)
Можно оценить и источники энергии тайфуна – потоки явного и скрытого тепла от поверхности океана Q s и через боковую поверхность Q b . Первый источник оценим по охлаждению за сутки (T = 2 °C) верхнего слоя океана толщиной h s = 50 м. Учитывая теплоёмкость C в = 4 10 3 Дж кг/град и плотность воды в = 10 3 кг/м 3 , получим Q s = в C в h s T 4 10 8 Дж/м 2 за сутки. Это значит, что у основания выбранный тайфун имеет источник питания мощностью 4000 Вт/м 2 , т.е. получает за сутки примерно 10 20 Вт. Это больше, чем поступает на ту же площадь от Солнца.
Второй источник энергии тайфуна оценим, считая, что через боковую поверхность S b с радиальной скоростью r = sin 12 м/с ( = 50 м/с – скорость ветра, 15° – примерный угол втекания) поступает масса водяного пара. Пусть q – средняя плотность водяного пара в воздухе тайфуна, примерно равная 6 10 –3 кг/м 3 . Тогда поток массы приблизительно равен E b = S b q r 10 9 кг/с. Если этот пар сконденсируется, а дождь равномерно распределится по основанию цилиндра, то скорость выпадения дождя составит E b /(S 0 в) 20 мм/ч (1 мм слоя осадков – это 1 кг воды). Это сильный ливень. При конденсации пара выработается мощность LE b 10 15 Вт (L – скрытая теплота конденсации водяного пара), а за сутки тайфун получит энергию Q b = 10 20 Дж, т.е. примерно столько же, сколько и от поверхности, несмотря на то, что площадь основания значительно больше боковой поверхности. Это потому, что скорость испарения во много раз меньше скорости горизонтального переноса пара в воздухе. Если сравнить поступающую энергию с кинетической, то можно видеть, что КПД тайфуна как тепловой машины низок. Это также характерно для других атмосферных систем, в которых большие потоки энергии рассеяны, а механическая работа по сравнению c ними очень мала.
Можно ли управлять тайфуном? Люди постоянно стремятся направленно воздействовать на опасные явления природы и, в частности, на тропические циклоны. Например, предлагали подрывать их водородными бомбами. Но, даже не говоря об экологической недопустимости, подобные действия в конечном счёте могут быть абсолютно бессмысленными ввиду огромных энергетических запасов тропических циклонов.
Гораздо более интересными являются проекты тонких воздействий. К ним относятся рассеивание облаков, покрытие поверхности океана специальной тонкой биологически разлагающейся плёнкой для сокращения испарения, охлаждение поверхности океана айсбергами. Наконец, существуют проекты облучения эпицентра урагана микроволнами из космоса или рассеивания реагентов в ионосфере ракетами.
Однако, прежде чем приступить к управлению ураганами, необходимо научиться точно прогнозировать их маршрут и определять физические параметры, влияющие на поведение атмосферных вихрей. Пока мы ещё в самом начале пути, но успехи компьютерного моделирования реакции тайфунов на мельчайшие изменения их первоначального состояния оказались весьма обнадёживающими.
Так, Росс Хоффман с коллегами (фирма «Исследования атмосферы и окружающей среды», США) провёл компьютерное моделирование разрушительных ураганов, неистовствовавших в 1992 г. Когда один из них, «Иники», прошёл прямо над гавайским островом Кауаи, погибли несколько человек, был нанесён огромный материальный ущерб, и целые лесные массивы сровнялись с землёй.
Если учесть несовершенство существующих методов прогнозирования, первый эксперимент моделирования имел неожиданный успех. Чтобы изменить путь «Иники», учёные выбрали место, в котором должен был оказаться тайфун через определённое время. Затем составили изменённые данные возможных наблюдений в этом месте (в 100 км западнее острова) и загрузили эту информацию в компьютерную модель. Программа должна была рассчитать мельчайшие изменения основных параметров первоначального состояния урагана, которые модифицировали бы его маршрут нужным образом.
Оказалось, что самые значительные преобразования коснулись первоначальных значений температуры и ветра. Типичные изменения температуры по всей сети координат составили десятые доли градуса, но самые заметные (повышение на 2 °С) оказались в нижнем слое к западу от центра циклона. Согласно расчётам, изменения скорости ветра составили 3,2–4,8 км/ч. В некоторых местах скорость ветра изменилась на 32 км/ч в результате незначительной переориентации направления ветра вблизи центра тайфуна.
Хотя обе компьютерные версии урагана «Иники», первоначальная и с внесёнными возмущениями, казались идентичными по структуре, небольших изменений ключевых переменных было достаточно, чтобы виртуальный ураган развернулся за 6 ч на запад, а потом двинулся прямо на север, оставив остров Кауаи нетронутым. Относительно малые искусственные преобразования начальной стадии тайфуна были обсчитаны с помощью системы нелинейных уравнений, описывающих его деятельность, – через 6 ч ураган «пришёл» в назначенное место.
О тропических циклонах написано очень много. Существует несколько очень хороших научно-популярных книг; есть учебные, демонстрационные сайты в интернете. Желающие могут найти множество сведений, не упомянутых здесь.
Игорь Николаевич Русин – выпускник Ленинградского гидрометеорологического института 1968 г. (диплом с отличием). Занимался вопросами моделирования климата в проблемной лаборатории взаимодействия океана и атмосферы ЛГМИ. В 1974 г. защитил диссертацию на звание к.ф.-м.н. Вёл научно-исследовательскую работу по оценке последствий переброски вод северных рек на юг, читал курсы лекций «Современные методы метеорологических прогнозов», разработал курс «Гидродинамические методы динамических прогнозов». Автор шести учебников и монографий, а также программ, использовавшихся для решения задач прогноза погоды. В 2000 г. защитил диссертацию на соискание степени доктора географических наук. С 2002 г. – профессор по кафедре климатологии и мониторинга окружающей среды СПбГУ, читает курсы «Метеорология и климатология», «Динамическая метеорология», «Стихийные бедствия и природные катастрофы». Ученое звание – профессор по кафедре климатологии и мониторинга окружающей среды. Ведёт активную научную работу в областях динамической метеорологии и климатологии, связанных с исследованием горных районов и опасных явлений природы. В семье профессора три дочери и четыре внука. Хобби – на фото.
Тайфуны и ураганы – природные явления свойственные южным тропическим широтам. В принципе особой разницы между ними нет, так как основное различие сводится к самому названию. Так у берегов Южной Америки формируются ураганы, тогда как в Индийском океане и Японском море – тайфуны.
Скорость ветра при урагане достигает 100 метров в секунду, ветер подымает огромные волны, сила которых достигает такой мощи, что всего за несколько минут волна разрушает береговую линию на 15 метров вперед. Высокие волны, обрушиваются не только на прибрежные селения и города, но и на находящиеся в море корабли, шансов спастись у которых иногда и вовсе не бывает.
Смертельно красивый ураган
Ураган и тайфун формируется из вихревого потока тогда, когда температура морской воды достигает 27-30 градусов, что обычно случается в конце лета начале осени. Именно в это время года опаснее всего выходить в дальние плавания, в особенности, если в маршруте следования имеется одно из южных морей. Опытные капитаны в это время отваживаются пуститься в путь только при большой необходимости и внимательно следят за сводками погоды.
Громадный тайфун приближается к городу Характерной чертой, по которой еще в древности моряки определяли надвигающийся ураган, являлось наступление полного штиля, затишья при котором внезапно стихают все звуки, нет ветра, паруса и флаги висят беспомощными тряпками, а море становится гладким и недвижимым, благодаря чему видимость увеличивается в десятки раз.
Явление это носит название « Глаз бури» , оно может возникать как при ясной погоде, так и после небольшого шторма. Радоваться такому затишью не стоит, капитан, владеющий знаниями по истории морских катастроф, причиной которых был ураган, должен на всех парах устремиться к ближайшему берегу, либо попытаться достичь края урагана, определить который несложно по заметному изменению цвета неба и колебаниям морских волн.
Находиться в центре тайфуна, или урагана крайне опасно, выжить в этом случае практически невозможно, даже, несмотря на то, что современные технологии позволяют определить образование циклона и его дальнейшее развитие за много дней и часов до наступления непогоды. Начиная с 1900 года и по наши дни, в мире случилось более 30 ураганов и тайфунов, причем самые мощные атмосферные явления подобного рода наблюдались в середине прошлого века и совсем недавно, всего 11 лет назад в 2004 году, когда мощнейшие ураганы Чарли, Френсис, Жанна, Исабель и Иван обрушились на прибрежные города Соединенных Штатов и Гаити. В это же время непревзойденный по силе тайфун стал причиной гибели тысяч отдыхающих на побережье Таиланда и Индонезии.
Ураган в опасной близости Помимо свойственной урагану мощи имеется у него и еще одна характеристика – имя, вот уже более 40 лет все ураганы и тайфуны принято назвать женскими и даже мужскими именами, что заметно упрощает их классификацию метеорологами и одновременно носит некоторый расслабляющий психологический эффект. Так от урагана Катрина погибло несколько сот тысяч человек, но его красивое имя смягчило эту потерю, во всяком случае, для всех, кто наблюдал за разрушительными последствиями стихии по телевизору.
Надвигающийся ураган хорошо виден из космоса, но несмотря на это успеть к нему подготовится крайне сложно, так как определить силу этого атмосферного явления окончательно не способен ни один прибор, потому и тайфуны, и ураганы представляют собой опаснейшее явление на суше и на море, они гибельны как для больших лайнеров, так и для маленьких яхт, они несут смерть.
Тайфун - так называются сильные бури Китайского моря и его берегов, от китайских слов “тай” -- большой и “фун (фен, фын)” -- ветер. Однако, метеорологи и моряки называют тайфуном не все бури, а лишь бури циклонического характера, бывающие в данных странах с мая по половину ноября нового стиля. Всего чаще они бывают в августе, сентябре и октябре, т. е. в конце дождливого муссона Восточной Азии, притом в более северной части области тайфуна они бывают чаще в начале этого периода, в более южных -- в конце.
По времени наибольшего распространения, небольшим горизонтальным размерам, величине градиентов, силе ветров и ливней тайфуны очень сходны с антильскими ураганами. Точно так же как и в последних, тайфуны движутся в тропиках с востока на запад или юго-востока на северо-запад.
Большинство тайфунов возникает вероятно около Филиппинских островов или на Тихом океане к востоку от них. Центры движутся медленно в тропиках, иногда около суток совершенно неподвижны. Тайфуны очень опасны потому, что моря, в которых они бывают, усеяны островами, рифами и мелями. Они опасны и для прибрежных жителей, жителей низовьев рек, так как сопровождаются большими и быстрыми подъемами воды.
В области наибольшей силы тайфуна находятся первоклассные метеорологические обсерватории: в Маниле (остров Гонконг) и Цикавей близ Шанхая. Они очень много сделали для изучения тайфунов. Велики в этом отношении заслуги и японского центрального метеорологического бюро. Северные части тайфуна захватывают русский Южно-Уссурийский край и Порт-Артур с его окрестностями.
Механизм возникновения тайфуна
В земной атмосфере находятся пары воды, которые с воздушными потоками перемещаются в магнитном поле Земли, и, как следствие этого, в атмосфере образуются вихри разных размеров. Наиболее интересны и характерны из них, а также наиболее разрушительны тропические циклоны, или тайфуны, диаметры которых составляют сотни километров.
У всех тайфунов есть общая черта: в Cеверном полушарии они закручены против часовой стрелки, а в Южном -- наоборот, по часовой. Тропические циклоны зарождаются в штилевой зоне над океанами (преимущественно между широтами 5--25°) как в Северном, так и в Южном полушарии, но полностью отсутствуют в экваториальной зоне, ограниченной приблизительно 5° северной широты и 5° южной широты.
Тропический циклон представляет собой систему очень сильных ветров, дующих вокруг безветренного центра, называемого глазом, вблизи которого скорость ветра может достигать 300--400 км/ч. Тропические циклоны характеризуются мощными восходящими потоками влажного воздуха вокруг глаза и нисходящими потоками воздуха в глазе тайфуна.
Попробуем объяснить механизм образования тропических циклонов.
Земля -- гигантский намагниченный шар. Его поле совпадает с полем магнитного диполя, расположенного вблизи центра земного шара со смещением около 400 километров в сторону Тихого океана и наклонённого примерно на 12° к оси вращения Земли. Силовые линии этого гигантского магнита выходят из северного магнитного полюса в Южном полушарии и устремляются к южному магнитному полюсу в Северном полушарии. Они огибают земной шар и распространяются на многие тысячи километров в околоземном космическом пространстве.
Магнитное поле Земли в каждой точке пространства характеризуется величиной и направлением. Из всех его характеристик в плане образования циклона нас интересует вектор магнитной индукции В и магнитное наклонение I, то есть угол между горизонтальной плоскостью и вектором магнитной индукции. Картина магнитного поля Земли очень сложна, она периодически меняется, вызывая существенные отклонения от средней величины в данной местности. Однако несложные расчёты показывают, что взаимодействие движущихся вверх молекул воды с магнитным полем Земли в первую очередь зависит от величины магнитной индукции В, то есть от магнитной широты (которая мало отличается от географической широты места). Момент количества движения молекул, а значит, и скорость их вращения в тайфуне максимальны на широтах 16°. То есть именно на этих широтах вероятность возникновения тайфуна наиболее велика. Это хорошо согласуется с результатами наблюдений за погодой. Но для его возникновения поднимающийся воздушный поток должен также иметь высокую влажность, которую могут обеспечить только обширные водные пространства с хорошо прогретой поверхностью (по данным некоторых авторов, не менее 27 градусов Цельсия). И тайфуны действительно образуются вблизи от экваториальной зоны (10--25° широты), над океаном, поверхностные воды которого хорошо прогреты, а восходящий поток имеет практически стопроцентную влажность. Как следствие этого, появление тайфунов носит ярко выраженный сезонный характер.
За 79-летний период, тайфуны в северной части тропической зоны Атлантического океана возникали 636 раз, то есть практически по 8 тайфунов в год. Из них 504 тайфуна, или почти 80%, приходятся на август, сентябрь и октябрь -- период, когда поверхностные воды Атлантики прогрелись, но зато в январе, когда они остыли, за 79 лет не было ни одного тайфуна.
Как отмечалось выше, реальное магнитное поле Земли отличается от магнитного поля идеального магнитного диполя. А поскольку именно величина индукции магнитного поля играет важную роль в механизме образования тайфуна, районы океана с её повышенным уровнем наиболее тайфуногенны. К ним относятся районы между Южной и Северной Америками, к востоку от побережья Австралии, районы Японских островов и Индонезии. Во всех этих местах индукция магнитного поля составляет 40--50 микротесл. А в районах западного и восточного побережий Южной Америки и в Южной Атлантике, где тайфунов не бывает, уровень индукции магнитного поля Земли не превышает 25--30 микротесл.
В целом картина возникновения тайфуна такова. Хорошо прогретая поверхность океана обеспечивает мощный восходящий поток влажного воздуха, насыщенного молекулами воды, которые, поднимаясь, начинают вращаться вследствие взаимодействия с магнитным полем Земли.
Чтобы понять роль молекул воды в образовании тайфуна, представим себе ёмкость, заполненную воздухом, в которую опустили вентилятор. Его лопасти вращаются, вовлекая во вращение воздух. Если теперь мысленно уменьшить размеры лопастей вдвое, одновременно увеличив число вентиляторов в два раза, скорость вращения воздуха в ёмкости сохранится. Если последовательно продолжать мысленный процесс уменьшения размеров вентиляторов с одновременным увеличением их числа, в пределе можно дойти до лопастей размером с молекулу. Образно говоря, в процессе образования тайфуна каждая молекула воды играет роль миниатюрного вентилятора, так как она совершает вращательное движение в результате пересечения ею силовых линий магнитного поля Земли. И посредством многочисленных соударений каждая молекула воды передаёт собственный момент количества движения другим молекулам, не имеющим дипольного момента. Постепенно во вращательное движение вовлекается всё больше молекул влажного воздуха. Такая спиновая поляризация воздушного пространства со временем приводит к суммированию моментов количества движения отдельных молекул, что и служит основой образования вихря гигантских размеров.
Что такое «глаз тайфуна»? В центре каждого тропического циклона образуется область очень низкого давления с высокой температурой. Это и есть “глаз тайфуна”. Его диаметр составляет 10-30 км. Здесь тихо, а вокруг, вращаясь по часовой стрелке, бушуют ураганные ветры. “Глаз тайфуна”, или “глаз бури”, вводит порой в заблуждение людей, попавших туда из зоны, где свирепствует сбивающий с ног ветер и вздымаются огромные валы. Пологая, что опасность миновала, неопытные моряки расслабляются, покидают свои убежища, забывая о мерах предосторожности. Беспечность им дорого обходится. Вихрь движется и вновь обрушивается на несчастных, сносит их с палубы. Как и землетрясения, тайфуны и ураганы особенно опасны, когда они разыгрываются над водой. Приближаясь к берегу, ураган гонит перед собой огромные массы воды и обрушивает их на сушу. Сопровождаемый обычно продолжительными ливнями и смерчами, штурмовой вал в бешенстве накатывает на берег и сметает всё живое. Один из сильнейших ураганов уничтожил 8 сентября 1900 г. американский портовый городок Галвестон, стоявший на длинной, узкой косе Галвестон-Бэй в Мексиканском заливе. Самая высокая его точка лежала всего 1.4 м над уровнем моря С материком косу соединяли два моста. Почему большинство тайфунов называют женскими именами. Тайфуны обычно называют человеческими именами. Вначале это были только женские имена, теперь, когда их стало не хватать, в ход пошли мужские. Эта традиция возникла в начале 40-х годов нашего столетия. Поначалу это была неофициальная терминология у метеорологов ВВС и ВМС США, применявшаяся для удобства обмена информацией об ураганах, обнаруживаемых на картах погоды, и облегчения передачи такой информации при прослеживании движения ураганов,- это помогало избежать путаницы и сокращало текст радио-и телеграфных передач. В последующем присвоение ураганам женских имен вошло в систему и было распространено на другие тропические циклоны - на тихоокеанские тайфуны, штормы Индийского океана, Тиморского моря и северо-западного побережья Австралии. Пришлось упорядочить и самую процедуру присвоения имен. Так, первый ураган года стали называть женским именем, начинающимся с первой буквы алфавита, второй - со второй и т. д. Имена выбирались краткие, которые легко произносятся и легко запоминаются. Для тайфунов существовал список из 84 женских имен. С 1979 года тропические циклонам начали присваивать и мужские имена.
Большинство районов зарождения тропических циклонов находится в пассатной зоне, между 10 и 20-м градусами широты в обоих полушариях Земли над теплыми участками поверхности океана, где температура воды достигает 28°С. Ниже 5° широты тропические циклоны не встречаются - вблизи экватора практически отсутствует отклоняющая сила вращения Земли, воздействие которой необходимо для устойчивого кругового движения воздуха, характерного для циклонов.
В среднем на Земле возникает в год около 120 тропических циклонов. Эта цифра еще четверть века назад показалась бы невероятной: в прошлом, когда не было метеорологических искусственных спутников Земли, более половины тропических циклонов оставались не замеченными, так как возникают они по большей части над открытым океаном, где лишь изредка встречаются острова и нет развитой сети метеорологических станций, фиксирующих каждый случай их возникновения.
Представление о распределении тропических циклонов над различными участками океанов в обоих полушариях Земли дает таблица, данные которой следует рассматривать как приблизительные - от года к году в разных районах повторяемость тропических циклонов может колебаться в широких пределах, хотя общее их количество ежегодно остается примерно одинаковым.
Чаще всего тропические циклоны возникают в начале осени или в самом конце лета, когда температура воды на поверхности океана самая высокая. Они редко бывают зимой и практически не встречаются весной. Приблизительно соотношение между количеством тропических циклонов, возникающих осенью, летом и зимой, может быть выражено соответственно цифрами 20:10:1. Другими словами, осенью тропические циклоны возникают примерно в два раза чаще, чем летом, а зимой - в десять раз реже, чем летом.
В 80-е годы тропических циклонов было немало. Так, в 1980 году только в течение августа и сентября 1980 года в северном полушарии было отмечено четыре случая развития тропических циклонов и в южном полушарии - один случай, из них два - ураганы в Карибском море и три - тайфуны в Тихом океане.
Ураган Аллеи отмечен в начале августа у берегов Гаити и Ямайки. Скорость ветра в нем достигала 70 м/с. Второй ураган, Эрмина, наблюдался в 20-х числах сентября у северного побережья Гондураса, а также у берегов Мексики и Гватемалы. Скорость ветра в нем достигала 30 м/с.
Тайфун Орхид возник в западной части Тихого океана и 11-12 сентября пронесся над Японскими островами и Южной Кореей, причинив там значительные разрушения и вызвав наводнения. Влияние этого тайфуна сутками позже стало ощутимым в Хабаровском и Приморском краях и на Сахалине. Наблюдались сильные дожди и ветер, скорость ветра местами достигала ураганной (33 м/с). Примерно через месяц, в середине октября, еще один тайфун пришел на Японские острова Кюсю и Сикоку с юга, нарушив временно не только воздушное, но и железнодорожное сообщение.
Действия во время тайфунов-Как и во время землетрясений, когда случается тайфун, необходимо соблюдать правила безопасности. По телевидению сообщают, насколько сильный и опасный ожидается тайфун, и в соответствии с этим может быть объявлено официальное предупреждение об опасности -- кэйхо:. Их бывает несколько: первое -- просто информация о том, что близится тайфун, второе -- совет оставаться дома, третье -- запрет на покидание помещений. Особенно последнего предупреждения ждут школьники и студенты, так как оно означает, что им разрешается не идти в школу. В любом случае, самое лучшее укрытие -- в помещении. Но если вы уж оказались на улице, старайтесь держаться подальше от вывесок магазинов, крыш домов, автоматов по продаже напитков и мусорных баков. Все это имеет тенденцию падать, и во время тайфунов самый большой процент увечий как раз и приходится на травмы от подобных предметов. Лучше не пользоваться велосипедом - его сносит порывами ветра гораздо сильнее, чем пешего человека. Избежать дождя, находясь на улице, не удастся, поэтому, оказавшись дома, рекомендуется принять меры, чтобы не простудиться. Вообще, когда во время тайфуна находишься в доме, испытываешь ощущение, будто сидишь на крошечном клочке земли посреди бушующего океана, и вся Вселенная охвачена стихиями воды и ветра. Иногда все вокруг затихает, и это значит, что вы оказались в «глазу тайфуна» -- тайфу.-но мэ, области в самой сердцевине циклона, где ветер спадает. Если тайфун особенно сильный, к примеру, около 30-40 метров в секунду, то его «глаз» может простираться на целую сотню километров.
тайфун тропический циклон буря
