Прощай торнадо!

Ю.Е.Устюгин, Г.П.Устюгина

Что такое торнадо? С какой стати люди должны терпеть такую напасть? Между тем, средства массовой информации несут тревожные вести со всех сторон. Значит, есть актуальная задача. И мы предлагаем один из путей ее возможного решения.

Обычно торнадо — так называют смерч над сушей в Соединенных Штатах Америки — возникает в грозовом облаке и стремительно движется вниз, к земле. При этом черные облака находятся так низко, что, кажется, уже касаются нас, а их видимое движение сопровождается сильным ветром у земной поверхности, дождем, градом и холодом. Этот атмосферный вихрь существует недолго, но порой вызывает значительные разрушения. В океане торнадо набирает силы и выходит, как разбойник, на большую дорогу. И надо же, дошло даже до того, что у него есть собственная дорога — известная в США «дорога торнадо».

Между тем, люди строили свои поселения, не рассчитывая на встречу с торнадо. И, как выяснилось, напрасно. Глобальные изменения климата, его потепление из-за парникового эффекта, вызванного нарастанием количества углерода в атмосфере, предсказывают увеличение числа случаев возникновения торнадо, а также его мощности и продолжительности. Легко представить себе торнадо, который будет уничтожать все, что простроено человеком.

Как же бороться с ним? Оказывается, борьба с ураганами, тайфунами, смерчами, торнадо находится в начальной стадии — наблюдений за ними, накопления измерительной и визуальной информации, обсуждения возможных проектов и идей.

Чтобы начать поиск решения задачи, сформулируем ее. Начнем с условий задачи.

У нас есть атмосфера, т.е. воздушная среда, в которой обитает весь растительный и животный мир и сам человек. Воздушная атмосфера несет с собой облака. Речь идет о плотных, мощных, а потому по цвету черных, из-за непроницаемости для солнечного света, облаках, из которых рождается торнадо.

Известно, что облака являются продуктом взаимодействия солнечного излучения с водной поверхностью океана. Это взаимодействие приводит к процессам испарения воды океанов и конденсации пара в капли в верхних холодных слоях атмосферы. Солнечная энергия, способствовавшая процессу парообразования, как бы перемещается вместе с паром в верхние слои атмосферы, где некоторое время сохраняется до того момента, пока не начнется интенсивный процесс конденсации с последующим выпадением осадков на поверхность земли. Осадки превращаются в реки, реки впадают в океаны и т.д. Так осуществляется кругооборот воды в природе под действием энергии солнца. Пока пар в облаках не сконденсировался до состояния выпадения в виде осадков, облака представляют собой визуально наблюдаемый вариант парогазовой среды — туман.

Есть различные теории и предположения, касающиеся механизма возникновения торнадо. Но мы здесь не будем обсуждать этот механизм и вообще механизм образования вращательного движения верхних слоев атмосферы. Тогда, не рассуждая о причинах появления крупномасштабного атмосферного вихревого движения, допустим, что в атмосфере, заполненной облачной массой, возникает некий процесс, порождающий ее вращательное движение. Назовем его «активатор-процесс». В этом понятии объединено все, что объективно обуславливает процесс образования торнадо, предшествует его возникновению и сопровождает его. Это — солнечная энергия, водная поверхность океана, суточная периодическая активность взаимодействия солнечной энергии с океаном и атмосферой, вращение Земли, порожденное этим вращением действие кориолисовых сил на потоки влажной и сухой атмосферы, сохранение момента импульса, процессы испарения и конденсации влаги до состояния облаков, выпадение осадков и т.д. (При этом, правда, следует понимать, что из-за взаимодействия с солнечным излучением земная атмосфера не является замкнутой системой, а, следовательно, сохранение момента импульса по отношению к атмосфере Земли вообще и к отдельному атмосферному вихрю в частности применимо с весьма существенными ограничениями.)

Результат всего этого — непрерывные потоки вихрей в атмосфере. Каждый из вихрей долго сохраняет свою индивидуальность, совершая перемещение на значительные расстояния над земной поверхностью вместе с верхними слоями атмосферы. Но некоторые крупномасштабные атмосферные вихри порождают более мелкие вихри — торнадо, характеризующиеся высочайшей концентрацией вращательного движения атмосферы, оказывающие разрушительное воздействие на строения и сооружения, возведенные людьми.

Для дальнейшего рассмотрения выделим один крупномасштабный атмосферный вихрь. В районе наблюдения за ним облака движутся низко. В них видны довольно быстрые хаотические движения, которые и отдельный момент переходят во вращательное движение вокруг некоторой области в нижней, видимой для наземного наблюдателя, части сплошной облачности. Происходит все так, словно некий активатор своим воздействием приводит хаотические движения атмосферы в организованное вращательное движение. Причем получается, что чем дольше действует активатор, тем большие массы воздуха начинают принимать участие в таком движении. Это — процесс аккумулирования энергии в виде вращения больших масс воздуха.

По мере протекания этого процесса все более глубокие слои атмосферы начинают принимать участие в движении, вращательное движение приближается к земной поверхности. Тем временем, из облака, точнее из его нижней части, видимой наземным наблюдателем, формируется воронка в сторону поверхности земли или воды. И, наконец, выделяется так называемый хобот — тот самый торнадо, быстро соединяющий нижнюю часть воронки с землей или водой. Он становится видимым из-за окрашивания (особенно в первые мгновения возникновения) вовлеченной в него частью парообразной влаги облаков, а затем пылью или предметами, спирально возносимыми вверх к облаку.

Но и это еще не все. Дальнейшее аккумулирование энергии вращения приводит к нарастанию глубины и размеров воронки. Следовательно, необходимо создать физическую модель, в которой вращательное движение среды, задаваемое активатором, приводило бы к образованию воронки и хобота.

Что такое торнадо с точки зрения физики? Оказывается, это вихревая трубка в парогазовой среде, если иметь в виду атмосферные воздух, в котором она образуется и существует, и вращающуюся часть верхних слоев атмосферы, содержащую влагу в виде облаков и, как генератор, задающую вращательное движение нижним слоям атмосферы. А воронка — это общеизвестное явление. Только мы привыкли видеть воронку в воде.

Рис. 1