Новые представления о закономерностях формирования циклонов, торнадо, тайфунов смерчах

Автор А.Л. Бондаренко

В атмосфере нередко формируются образования, воздух и содержащаяся в них влага и твердые вещества вращаются циклонически в Северном полушарии и антициклонически - в Южном, т.е. вращения происходят в сторону противоположную движению часовой стрелки в первом случае и по её движению во втором. К ним относятся  тропические и циклоны средних широт, торнадо, тайфуны, тромбо, смерчи и т. д. В природе этих образований много общего. Назовём их в целом циклоническими образованиями. Тропические циклоны обычно в диаметре меньшие, чем циклоны средних широт и составляют 100-300 км, но скорости в них большие, достигают 50-100 м/с. Циклонические образования с большими скоростями движения воздуха, наблюдаемые в районе субтропической зоны западной части Атлантического океана около Северной Америки и Южной Америки получили название торнадо, аналогичные около Европы – тромбо, около юго-западной части Тихого океана – тайфуны. Вращательные движения  в торнадо достигают величин более 100 м/c. Фактически циклоны тропической зоны обычно превращаются в торнадо. Циклоны тропической зоны часто образуются в восточной части океанов на широтах 5-200 и распространяются до западных границ океана, а затем в северном полушарии движутся на север, а в южном – на юг. Выходя на материк, торнадо довольно быстро разрушаются, но при этом, обладая большой разрушительной силой, успевают нанести значительный ущерб природе и людям. Вращательные движения воздуха над морем или океаном меньших размеров, чем торнадо получили название смерчей. Это разновидность торнадо.

Принятая гипотеза формирования циклонических образований. 

Считается, что образование и пополнение энергией циклона происходит за счёт подъёма больших масс тёплого воздуха и скрытой теплоты конденсации. Считается, что в отдельных районах тропической зоны океанов вода теплее атмосферы. В этом случае воздух атмосферы нагревается от океана и поднимается. В результате подъёма воздуха влага в нём конденсируется и выпадает в виде дождей, давление в центре циклона падает, что и приводит к возникновению вращательных движений воздуха и влаги и твердых веществ в ней заключённых [1 - 4].

Эта общепринятая и популярная гипотеза формирования циклонических образований, была создана без анализа натурной информации, а лишь путём логических умозаключений и представлений её авторов о предполагаемой физики развития подобных процессов. Естественно предположить, если воздух в образовании поднимается, что происходит в движениях циклонических образований, то он должен быть легче, чем воздух на периферии образования. Так и считается: воздух поднимается, влага конденсируется, давление падает, возникают вращательные движения циклонического образования.

Рис. 1. Торнадо. Образование формы, изображённой на рисунке часто называют “воронкой торнадо”. Образование 1 от верхней части торнадо в виде облака 2 до поверхности океана называется трубой или хоботом торнадо (снимок помещён в Интернете).

Однако многие исследователи видят слабые стороны этой гипотезы. Так они считают, что локальные перепады температуры и давления в тропиках не настолько велики, чтобы только эти факторы могли сыграть решающую роль в возникновении циклона, столь значительно ускорить воздушные потоки [5]. До сих пор остаётся неясным, какие физические процессы протекают на начальных стадиях развития тропического циклона, каким образом усиливается исходное возмущение, как возникает система крупномасштабной вертикальной циркуляции, подводящая энергию в динамическую систему тропического циклона [6].      Следует отметить, что приверженцы этой гипотезы формирования циклонических образований никак не объясняют закономерностей потоков тепла, а просто предполагают их наличие. Вот, дескать, существует поток, но что он представляет, откуда берётся и как возникает, не обсуждают. 

    Не будем обсуждать справедливость этих аргументов. Мы видим более очевидным следующий недостаток существующей гипотезы формирования циклонических образований. Так, чтобы воздух нагревался от океана недостаточно, чтобы океан был теплее. Необходимо, чтобы существовал подъём тёплых вод с глубины к поверхности океана, т.е. существовал поток тепла вверх. Вместе с тем в тропической зоне океана вода на глубине всегда холоднее, чем у поверхности и такого тёплого потока не существуeт. Поэтому принятая гипотеза формирования циклонов в этом случае не может быть реализована, она не верна.

Мы провели свой собственный анализ и предлагаем иную гипотезу формирования и развития циклонических образований, на наш взгляд, правильнее объясняющую их природу. Активную роль в формировании циклонических образований и пополнении их энергией играют волны Россби Мирового океана. Чтобы понять, как это всё происходит,  немного расскажем об этих волнах.

Волны Россби Мирового океана.

В Мировом океане существуют динамические образования, получившие название волн Россби [7, 8]. Эти волны присутствуют постоянно во всём Мировом океане, но наиболее значительны они около экваториальной и области западных пограничных течений, в западной части океанов. В экваториальной зоне Тихого океана они имеют такие параметры: длину волны ~ 1600 км, распространяются на запад с фазовой скоростью ~ 1м/с, амплитуду колебания скорости течений до ~ 1 м/с., период волны ~ 20 суток. Амплитуда колебания скорости течений изменяется во времени с сезонной (годовой) периодичностью. Фаза периодичности постоянна. Наибольшие амплитуды колебаний скорости течений в периодичности обычно наблюдаются летом (для Северного полушария), а наименьшие – зимой. Параметры волн Россби областей западных пограничных течений несколько отличны от параметров волн экваториальной области.  Период и длина волн зависит от расстояния от глубины океана и широты, и составляют ~ 10 – 40 суток,  100 – 400 км. Амплитуда колебания скорости течений достигает 2,5 м/с. Волны распространяются вдоль берега с фазовой скоростью  ~ 5 см/с, так что берег находится справа по отношению направлению распространения волны.

Рис. 2. Вид сверху на торнадо, точнее на его облако. Частично оно расположено над п-ом Флорида (снимок помещён в Интернете). 

Энергетический уровень волн определяется величиной их амплитуды колебания скорости течений. Для сравнения в средних широтах океанов, удалённых от берега амплитуды колебаний скорости течений составляют всего 5 – 15 см/с. Амплитуды колебания скорости течений волн Россби западных областей океанов изменяются во времени, но не в режиме сезонной изменчивости, как это происходит в экваториальной зоне Тихого океана. Часто используется понятие: орбитальные движения частиц воды в волне. Частицы воды в волнах движутся не только в горизонтальной плоскости, но вертикальной.  Движения частиц воды в вертикальной плоскости создают подъём глубинной воды на поверхность океана в одной части волны и опускание воды на глубину в другой части волны, соответственно, и появление на поверхности океана температурных аномалий с отрицательной аномалией температуры, “температурных пятен”. 

Наша гипотеза формирования циклонических образований.

Как отмечалось, тропические циклоны и торнадо движутся по областям экваториальных и  западных пограничных течений, в которых волны Россби имеют наибольшие величины амплитуд колебаний скорости течений. Подъём в волнах Россби глубинной воды на поверхность океана в тропических и субтропических зонах приводит к созданию на поверхности океана значительных по величине отрицательных аномалий воды овальной формы, с температурой вод в центре ниже температуры вод их окружающих. В экваториальной зоне Тихого океана аномалии температуры этих образований ~ 2 – 3 0C, диаметр ~ 500 км.

Сам факт движения тропических циклонов и торнадо по зонам экваториальных и западных пограничных течений, а также многое другое, и навёл нас на мысль, что они (циклоны и торнадо) как-то должны быть связаны физически с активностью волн Россби, а точнее должны ими порождаться. В последствие мы нашли этому объяснение, оно такое.

Эти аномалии холодной воды охлаждают воздух атмосферы, создавая отрицательные аномалии овальной формы, близкой круговой, холодного воздуха в центре и более тёплого на периферии. В результате и давление внутри аномалии будет ниже, чем на периферии. Как следствие этого возникают усилия Fд, обусловленные градиентом давления, которые будут двигать массы воздуха и содержащейся в нём влаги и твёрдых веществ в центр аномалии. На движущиеся в центр аномалии массы действует сила Кориолиса Fk, которая отклоняет движущиеся массы вправо в Северном полушарии и влево – в Южном. Таким образом, массы будут двигаться в цент аномалии по спирали. Чтобы циклоническое движение масс возникло, сила Кориолиса должна быть отлична от нуля. Так как Fk =2mωu Sinφ, где m – масса тела,  ω – угловая частота вращения Земли, φ - широта места, u - модуль скорости движения тела (воздуха, влаги, твёрдых веществ). Сила Fk относительно вектора скорости движения массы направлена вправо в Северном полушарии и влево – в Южном. На экваторе Fk = 0. Вот почему циклонические образования на экваторе не возникают. В связи с движением масс по окружности возникает центробежная сила Fц, стремящаяся оттолкнуть массы от центра аномалии. В целом на массы  будет действовать сила стремящаяся сместить их по радиусу, Fr  = Fд - Fц. и сила Кориолиса. Скорость вращения воздуха, влаги и твёрдых веществ в образовании и подачи их в цент циклона будет зависеть от градиента  Fr. В основном, и чаще всего, во всей области аномалии Fд > Fц. Сила Fц достигает существенной величины при больших угловых скоростях вращения воздуха в аномалии. Такое распределение усилий приводит к тому, что воздух с содержащимися в нём  влагой и твердыми частицами устремляется в цент аномалии и там выталкивается вверх. Подъём воздуха вызывает конденсацию влаги и, соответственно, падение давления в центре аномалии, образование облачности над аномалией, выпадение осадков. Это в свою очередь приводит к уменьшению температуры воздуха аномалии и ещё большему падению давления в её центре. Возникает своего рода связь процессов взаимно усиливающих друг друга: падение давления в центре аномалии усиливает подачу воздуха в аномалию и, соответственно, её подъём, что в свою очередь приводит к ещё большему падению давления и, соответственно, увеличению поступления масс воздуха, влаги и твёрдых частиц в аномалию. Это приводит к сильному увеличению скоростей движения воздуха (ветра) в аномалии. Так образуется циклон.

Итак, мы имеем дело со связью процессов взаимно усиливающих друг друга. Если процесс протекает без усиления, в вынужденном режиме то,  как правило, скорость ветра составляет 5-10 м/с, но в отдельных случаях может достигать и 25 м/с. Так скорость ветров – пассатов  составляет 5 – 10 м/с при перепадах температуры поверхностных вод океана 3-4°С  на 300 – 500 км. В прибрежных аппвеллингах Каспийского моря и апвеллингах в открытой части Черного моря ветры могут достигать 25 м/с при перепадах температуры воды ~ 15°С на 50 – 100 км . При “работе” связи процессов взаимно усиливающих друг друга в тропических циклонах, торнадо, смерчах скорость в них ветра может достигать существенно больших величин, более 100-200 м/с.       

 Как циклон подпитывается энергией? Мы уже отмечали, что волны Россби вдоль экватора распространяются на запад. Эти волны формируют на поверхности океана отрицательные по температуре аномалии воды в диаметре ~ 500км, которые поддерживаются потоком тепла (отрицательным) и массы воды с глубины. Расстояние между центрами аномалий равно длине волны, 1500 км. Когда циклон находится над аномалией он подпитывается от неё энергией. Но когда  циклон оказывается между аномалиями, то он теряет энергию, поскольку здесь в водах отсутствуют вертикальные потоки воды и, соответственно, отрицательные потоки тепла. Эту зону он проскакивает по инерции без подпитки энергией, но с небольшой потерей энергии. Далее в очередной аномалии он получает дополнительную порцию энергии и так продолжается на всём пути движения циклона, переходящего нередко в торнадо. Разумеется, могут возникать условия, когда циклон не встретит уже аномалий или они будут маленькие, то он может со временем разрушиться. 

Формирование торнадо.

После того, как тропический циклон достигнет западных границ океана, он начинает двигаться на север. За счёт увеличения Кориолисовой силы в образовании увеличиваются угловая и линейная скорость движения воздуха, усиливается падение давления внутри. Перепады давления внутри и вне циклонического образования достигают величин более 300 мб, в то время как в циклонах средних широт эта величина составляет ~ 30 мб. Процесс усиливается. Скорости ветра превышают 100 м/с. Область подъёма воздуха и содержащихся в нём твёрдых частиц и влаги сужается. Эта область подъёма получила название хобота или трубы циклонического образования (рис 1). Массы воздуха, влаги и твёрдых веществ поступают с периферии циклонического образования в его центр, в трубу. По присутствию в циклонических образованиях влаги и твёрдых веществ и судят зачастую о присутствии образований. Такие образования с трубой получили название торнадо, тромбо, тайфун, смерч (см. рис. 1, 2). 

При больших  угловых скоростях вращения воздуха в центре торнадо возникают условия: Fд ~ Fц.. Сила Fд стаскивает массы воздуха, влаги и твёрдых частиц с периферии торнадо на стенки трубы, а сила Fц - с внутренней области трубы на внутренние стенки трубы. В трубе влага и твердые вещества отсутствуют и воздух прозрачен.  Такое состояние торнадо получило название “глаз бури”. На стенках трубы результирующая сила, действующая на частицы практически равна нулю, а внутри трубы она мала. Кроме того, угловая и линейная скорость вращения воздуха в центре торнадо мала. Всё это и объясняет отсутствие ветра внутри трубы торнадо. Но такое состояние торнадо, с “глазом бури” наблюдается не во всех торнадо, а только тогда когда угловая скорость вращения веществ в торнадо достигает значительной величины,  Fц – большое, т.е. в сильных торнадо.

Торнадо, точно так же, как и тропический циклон на всём пути его следования над океаном подпитывается энергией температурных аномалий воды, создаваемых волнами Россби. На суши такой механизм подкачки энергии отсутствует и, поэтому, торнадо на суше, как отмечалось, относительно быстро разрушается. 

Из изложенного становится ясным, что для прогноза  состояния торнадо по пути его следования над океаном необходимо знать термодинамическое состояние поверхностных, а отсюда и глубинных вод океана. Такая информация в настоящее время получается путём “съёмок” из космоса температуры поверхностных вод океана. 

Хотелось бы отметить следующее. Тропические циклоны и торнадо обычно образуются летом – осенью. Почему? В экваториальной зоне океана летом – осенью, как отмечалось, волны Россби достигают по амплитуде наибольшей величины. Эти большие волны создают аномалии температуры значительной величины, энергией которых и питается циклон. Нам неизвестно, как ведут себя амплитуды волн Россби в субтропической части океанов, поэтому мы не можем утверждать, что аналогичное происходит там с торнадо. Но нам хорошо известно, что глубокие аномалии в этой зоне появляются летом, когда поверхностные воды  нагреты сильнее, нежели зимой. В этих условиях возникают температурные аномалии воды и, соответственно, воздуха с большими перепадами температуры. Этим и объясняется образование сильных торнадо в основном летом и осенью.

Циклоны средних широт.

Циклоны – образования без трубы. В средних широтах циклон, как правило, не переходит в торнадо, поскольку здесь выполняются условия Fr ~ Fk, т.е. движение масс - геострофическое. В этих условиях вектор скорости движения масс воздуха, влаги и твёрдых частиц направлен по окружности циклона и массы воздуха, влаги и твёрдых веществ только слабо поступают в его центр. Поэтому циклон не сжимается и не превращается в торнадо.

Приведём пример образования циклона над Чёрным морем. Волны Россби нередко образуют температурные отрицательные аномалии поверхностных вод в центральных районах западной и восточной частях Чёрного моря. Эти аномалии температуры поверхностных вод образуют над морем циклоны. Нередко температура в аномалиях достигает больших величин, ~ 10 – 15 0С и они создают мощные циклоны с большими скоростями ветра. На рис.3, 4 приведены температурные аномалии Чёрного моря. На фоне относительно тёплого моря с температурой порядка 230С восточной и западной частях моря выделяются  аномалии воды с температурой порядка 100С. Различия весьма существенны, 130С (рис.). Эти аномалии формируют циклон (рис.). Нам кажется, что таким образом была сформирована знаменитая Балаклавская буря в 1800 г, потопившая английский флот. 

Смерчи. 

Это циклонические образования небольших размеров. Так же, как и торнадо имеют трубу. Образуются над океаном или морем, на поверхности которых возникают температурные аномалии небольших по площади размеров. Так, автору приходилось многократно наблюдать смерчи в восточной части Чёрного моря, там, где активность волн Россби большая, которая на фоне очень тёплого моря и приводит к образованию многочисленных и глубоких аномалий поверхностных вод. Развитию смерчей в этой части моря также способствует очень влажный воздух.

Итак.

Циклонические образования формируются температурными аномалиями поверхностных вод с отрицательной аномалией температуры, в центре аномалии температура воды ниже, чем на периферии. Эти аномалии формируются волнами Россби Мирового океана. При этом температура воздуха в рассматриваемых эпизодах обычно бывает выше, температуры воды. Впрочем, выполнение этого условия не обязательно, циклоны могут быть образованы и при условиях, когда температура воздуха над океаном или морем меньше температуры воды. Главное условие образования циклона - наличие отрицательной аномалии воды, которая и создаёт отрицательную аномалию воздуха. Далее всё остальное происходит так, как описано, было раньше. Из изложенного становится ясным, что дальнейшее изучение закономерностей формирования и развития циклонических образований встаёт перед необходимостью изучения волн Россби Мирового океана. Изучайте волны Россби Мирового океана!

Доктор географических наук Альберт Леонидович Бондаренко

«Портал океанограферов»

Литература.

 1.Грей В.М. Генезис и интенсификация тропических циклонов// Сб. Интенсивные атмосферные вихри. 1985. М.: Мир.2.Наливкин Д.В. Ураганы, бури, смерчи. 1969. Л.: Наука.
3.Иванов В.Н. Зарождение и развитие тропических циклонов// C.: Тропическая метеорология. Труды III Международного симпозиума. 1985. Л. Гидрометеоиздат. 
4.Gray W. M. Tropical cyclone genesis// Atmos. Sci. Paper, Colo. St. Univer. 1975. №234.
5.Юсупалиев У., Анисимов Е.П., Маслов А.К., Шутеев С.А. К вопросу
      формирования и геометрических характеристик смерча. Часть II//             Прикладная физика. 2001. №1. 
6.   Моисеев С.С., Сагдеев Р.З., Тур А.В., Хоменко Г.А., Шукуров А.В. Физический механизм усиления вихревых возмущений в атмосфере// Доклады Академии наук СССР. 1983. Т.273. №3.
7. Бондаренко А.Л. Эль-Ниньо – Ла-Нинья: механизмы формирования// Природа. 2006. №5. 
8. Бондаренко А.Л.     Настоящее и будущее Гольфстрима// 2007. №7.