Шквалистый или шквальный ветер. Мир атмосферных явлений
Причины ветров и шквалов
Главный фактор движения воздушных масс - это неравномерное нагревание различных областей вращающейся Земли. Более всего прогреваются области низких широт, холодильниками являются полярные области. Зоны нагрева воздуха это очаги его подъема, преобладания пониженного атмосферного давления, а области охлаждения - преобладания повышенного давления и опускания воздуха. По этой упрощенной схеме ветры должны были бы дуть от полюсов к экватору - из областей высокого давления с холодным и плотным воздухом в области низкого давления. Действительно, в антициклонах - обширных областях высокого давления - воздух вблизи земной поверхности растекается, а в циклонах - областях низкого давления - наблюдается сходимость ветров. Однако реальная картина значительно сложнее, общая схема воздушных течений на планете состоит из сложно взаимодействующих процессов.
На все движущиеся тела действует инерционная сила вращения Земли - сила Кориолиса. Она направлена по перпендикуляру к земной оси, и ее горизонтальная составляющая (перпендикулярная ветру) стремится отклонить движущиеся тела с их пути: в северном полушарии - вправо, в южном - влево. Поэтому, например, в северном полушарии правые рельсы на двухколейных железных дорогах изнашиваются быстрее, чем левые, и правые берега рек круче левых. Сила Кориолиса мала, но действие ее неотвратимо и постоянно.
В результате действия двух сил - барического градиента и Кориолиса - в свободной атмосфере (выше 1-2 км) возникает горизонтальное движение не в направлении барического градиента (убывания давления), а отклоняясь от него под прямым углом, вдоль изобар - линий равного атмосферного давления. Такой ветер называется геострофическим («равновесным»). Силой, которая нарушает это равновесие, является трение воздушных потоков о земную поверхность, особенно значительное над пересеченной местностью. В горах прибавляется еще и действие гравитационного стока воздуха по ущельям и каньонам. А в вихрях проявляется действие центробежного ускорения, тем более существенное, чем меньше диаметр вихря и больше квадрат скорости ветра.
В приземном слое атмосферы, в так называемом слое трения (1-2 км), всегда обнаруживается действие трения, и потому ветры отклоняются от изобар, пересекая их так, что в циклоне образуется сходящийся спиральный вихрь (в северном полушарии - против часовой стрелки), а в антициклонах - расходящийся вихрь (по часовой стрелке). Этот эмпирический факт получил название закона Бейс-Балло. Он гласит, что если смотреть в направлении ветра, то наиболее низкое давление будет слева и несколько впереди. Лишь выше слоя трения устойчивый ветер дует по изобарам. Однако и здесь это наблюдается до тех пор, пока барический градиент остается неизменным и все приложенные к движущемуся объему воздуха силы взаимно уравновешиваются. Но эволюция барического поля (рост или понижение давления по динамическим или термическим причинам) приводит к изменению барического градиента, к появлению ускорения и отклонению ветра от изобар. Одновременно изменяются и другие характеристики погоды.
Предположение о геострофическом ветре не применимо к ветрам около центров циклонов и антициклонов. В циклонических вихрях малого масштаба, диаметром менее 500-900 км, в зоне сильных ветров очень велика роль центробежного ускорения. Такой ветер был назван циклострофическим. Именно вихри малого масштаба представляют собой наиболее сложный и динамичный элемент структуры атмосферы. Вместе с его важностью для понимания природы штормового ветра отметим и трудность исследования малых вихрей.
Классификация ветров
В начале прошлого века адмирал Френсис Бофорт предложил шкалу силы ветра в баллах по вызываемому ветром волнению на море и способности двигать парусные суда. Позже шкала была дополнена оценкой действия ветра на наземные предметы и принятав 1874 г. Международным комитетом для всеобщего применения. В 1946 г. она вновь уточнена. По ней нуль - это штиль; 8 баллов - шторм, очень крепкий ветер скоростью 20 м/с, при котором затруднено всякое движение против ветра; 12 баллов - ураган скоростью более 29-33 м/с. Генетическая классификация ветров выделяет три класса ветров, в зависимости от соотношения между приложенными к движущемуся объему воздуха силами (перечисленными выше). Известна классификация ветров по размерам охваченной ими площади.
Простейшее деление ветров различает ветровые системы двух основных классов: крупномасштабные прямолинейные потоки и возмущающие их вихревые. Важнейший фактор - это кривизна потока в системе циклонов и антициклонов.
В атмосфере одновременно действует широкий спектр ветровых систем различного масштаба. В зависимости от пространственной мощности системы ветров, низкого давления в центре вихря их группируют в такие системы ветров.
- Вихри (в том числе невысокие, пыльные, песчаные) диаметром менее 110-100 м, подобные малым смерчам, но не связанные с облаком. 2. Смерчи (торнадо, тромбы), в том числе песчаные и водяные; их диаметр - метры или десятки и более метров, высота 1-2 км, до облаков. 3. Шквалы, роторные вихри, локальные бури диаметром от нескольких до сотен метров. Нередко они одновременно охватывают пространства размером в десятки, иногда в сотни километров. 4. Тропические циклоны (в развитой стадии симметричные) диаметром до нескольких сотен километров; их характерная высота более 10 км.
- Внетропические циклоны (термически и кинематически асимметричные) диаметром во многие сотни километров, простирающиесяиногда дотропопаузы.
- Циркумполярные вихри, охватывающиевсютропосферуи нижнюю стратосферу.
Нас интересуют первые три разновидности ветровых систем. Так как они не связаны с облаками, то рассмотрим, какое место шкваловые и смерченосные облака занимают среди всего облачного разнообразия.
Системы шкваловых облаков, атмосферные фронты
В зависимости от высоты основания различают облака верхнего яруса (перистые, состоящие из кристаллов льда, расположенные выше 6 км); облака среднего яруса (высокослоистые и высококучевые с высотой основания 2- 6 км); облака нижнего яруса (с высотой основания ниже 2 км, обычно капельно-жидкие) и облака вертикального развития (основания которых находятся на уровне облаков нижнего яруса, а вершины поднимаются выше 6 км). Формы облаков связаны с механизмом их образования. Движение воздуха по наклонной плоскости поверх слоя более холодного приводит к образованию перистых, перисто-слоистых и слоисто-дождевых облаков. В них ветры могут быть сильными, порывистыми. Волнообразные движения в некотором слое участвуют в возникновении перисто-кучевых и высококучевых и в эволюции слоисто-дождевых облаков. Некоторые формы высококучевых облаков появляются перед возникновением шквалов, особенно в горах. Облака вертикального развития - конвективные - возникают в результате подъема теплого и влажного воздуха. Это кучевые (Сu), мощные кучевые (кумулус конгестус, Си cong) и кучево-дождевые (кумулонимбус, Сb) облака. Последние иногда называют шкваловыми, грозовыми, градоносными, смерченосными и т. п.
Наиболее мощные облачные системы большой протяженности возникают на атмосферных фронтах - границах раздела воздушных масс, вовлеченных в циклоническое вращение. Шкваловые облака в основном фронтальные. С облаками, развитыми внутри воздушных масс, связано не более 5-10% всех шквалов. Различают атмосферные фронты теплые, холодные и фронты окклюзии; последние возникают при взаимодействии теплого и холодного фронтов.
Теплый фронт - раздел между теплым и холодным воздухом, когда теплый воздух движется быстрее холодного. Наползая на слой холодного воздуха, массы теплого воздуха при подъеме расширяются, затрачивают энергию на работу расширения и охлаждаются. Водяной пар в них достигает насыщения, образуется сплошная слоистообразная облачная система теплого фронта с обложными осадками в зоне шириной 300-400 км впереди фронта. Разумеется, в каждом частном случае процесс протекает по-своему, облачность не обязательно непрерывная, может быть многослойной и т. п.
Холодный фронт - название вала холодного воздуха, который движется в сторону теплого воздуха. Различают холодные фронты первого и второго рода. Первые - это медленно движущиеся облачные системы в основном высокослоистых и слоисто-дождевых облаков, близкие по структуре к облакам теплого фронта. Клин холодного воздуха как бы медленно подползает под теплую воздушную массу, которая натекает на него, образуя широкую систему зафронтальных облаков с обложными осадками. Перед таким фронтом также могут возникать Сb.
Холодный фронт второго рода - более активный, это быстро движущийся (или ускоряющийся) вал кучево-дождевых облаков (Сb) перед фронтом или на нем, со шквалами, ливневыми осадками и грозами. За фронтом наступает прояснение и похолодание. Опускание холодного воздуха в зоне ливня в тылу мощных облаков и подъем теплого и влажного воздуха в передней их части благоприятствуют развитию вихрей с горизонтальной осью - фронтальных шквалов. Холодный фронт второго рода называют линией шквалов.
Ширина зоны мощных облаков холодного фронта составляет 50-100 км. Поэтому даже при скорости смещения фронта меньше 40 км/ч шквалы длятся в каждом пункте не более 1-2 часов. Вал облаков может быть несплошным, а ночью Сb вообще могут растекаться.
В последние десятилетия имеются значительные достижения в изучении динамики и мезомасштабной структуры облачных систем и фронтов. Получены новые данные о структуре мезофронтов, линий неустойчивости, несущей полосы («питающей» циклон теплым и влажным воздухом с юга), струйных течений низких уровней (мезоструй) и др. Например, установлено, что во влажной и неустойчивой воздушной массе на расстоянии 50-100 км впереди фронта может образоваться линия неустойчивости длиной 100- 500 км в виде цепочки Сb с грозами и шквалами. Иногда шквалы располагаются позади фронта, на вторичных холодных фронтах и т. п.
Циклон - колыбель штормов
Шквалоопасные облака в циклонах, где преобладает подъем воздуха, особенно активны на фронтах. Различают два основных типа циклонов: тропические и внетропические.
Тропический циклон представляет собой организованную в вихрь систему мощных конвективных облаков, формирующих ядро урагана - кольцеобразную стену ветра и ливня с сильными восходящими движениями в ней. Она окружает «глаз бури» (диаметром до 50 км) с нисходящими движениями и малооблачной и тихой погодой. Здесь наблюдается наинизшее давление; отмечен случай с давлением 847 гектопаскалей (гПа). Исследования последних лет показали, что полосы Сb шириной от 2 до 20 км вытянуты по ветру в нижней тропосфере и сходятся спиралями к «глазу бури» в виде гряд, разделенных безоблачными полосами шириной до 8 км и более. В гигантской облачной спирали чередуются мезомасштабные зоны восходящих и нисходящих движений. Облака высотой более 10 км состоят из крупных капель, стремительный подъем воздуха в них распространяется выше 14-17 км. Каждое облако спирали существует недолго и проявляет себя локально, зона его шквала и ливня имеет площадь всего 2-4 км 2 . Цикл жизни отдельных конвективных ячеек в облаке всего несколько минут. И за это время рождается вихрь в облаке, облачные капли забрасываются выше уровня оледенения, где возникают градинки и образуются капли ливня. Облака сменяют друг друга, и это обусловливает непрерывность бури.
Тропические циклоны возникают над океаном на обращенной к экватору стороне субтропических антициклонов в зоне восточных ветров - пассатов, не ближе 300-500 км от экватора. Они движутся, углубляясь и развиваясь, по начальной ветви траектории к западу со все увеличивающейся составляющей движения к полюсу; в северном полушарии это движение к северо-западу. Приблизившись к меридионально вытянутой береговой линии материка (обычно в широтах 20- 30°), циклон начинает движение к северо-востоку. В процессе движения циклон проходит ряд стадий развития, от небольшого вихря до развитого циклона с «глазом бури» посредине и спиральной системой шквалово-ливневых облаков. Наибольшую повторяемость тропические циклоны имеют в конце лета и осенью. Развитый тропический циклон (на Тихом океане это тайфун, на Атлантическом - ураган) имеет диаметр штормовой зоны около 100-600 км и простирается в высоту более чем на 10-15 км.
Академик В. В. Шулейкин назвал тропические циклоны тепловыми машинами пятого рода, которые начинают свою работу над нагревателем - океаном после того, как над ним появится начальный вихрь. Траектории ураганов совпадают с положением зон с температурой вод выше 27°С. Кинетическая энергия развитого тропического циклона в нижнем трехкилометровом слое достигает 19*10 2 5 эрг - энергии двадцати Куйбышевских ГЭС.
Итак, тропический циклон - наиболее мощная система шквалов.
Можно сказать, что почти вся его энергия - это совокупная энергия образующих его шквалово-грозовых облаков.
Внетропические циклоны
В отличие от тропических, внетропические циклоны в развитой стадии резко асимметричны по распределению температуры, облачности, осадков, ветра. Именно в контрастах температуры черпают они свою энергию. В умеренных широтах обычные циклоны движутся в общем к востоку (иногда со значительной меридиональной составляющей). Они особенно активны зимой: важнейшим фактором развития внетропических циклонов является контраст температуры в системе высотной фронтальной зоны, под которой возникает циклон.
Наибольшая активность шквалов в циклонах наблюдается при меридионально расположенных фронтах, когда контраст свойств сходящихся в циклоне воздушных масс превышает несколько градусов. В циклоне с холодным фронтом на Европу обрушиваются северо-западные шквалы. Таким был и шквал, погубивший «Эвридик».
Зимой смена западных ветров северными на побережье Европы сопровождается сильными снежными зарядами, метелью, иногда с грозой. Интенсивность летних шквалов и гроз днем здесь больше, чем ночью, так как в результате прогревания относительно прохладного морского воздуха усиливается конвекция и развиваются более мощные Сb.
Многие особенности мезомасштабной структуры фронтов и циклонов лишь недавно выявлены экспериментально. Например, обнаружена полосовая структура полей ветра и других метеорологических характеристик в зонах атмосферных фронтов и в теплом секторе циклона. Установлено, что существует так называемая несущая полоса перед холодным фронтом, параллельная ему, связанная со струйным течением низких уровней. Найдено, что формирование циклонов не всегда связано с фронтами: циклогенез рассматривается как проявление гидродинамической неустойчивости атмосферных потоков. Циклонические возмущения в атмосфере могут черпать энергию из кинетической энергии крупномасштабного зонального (широтного) потока.
Электронные «глаза» и «портреты» шквалов и смерчей
Анализа традиционных карт погоды, в том числе высотных, кольцевых приземных и других вычислений не всегда достаточно для суждения о размерах, характере и вертикальной структуре шкваловых облаков. Новая информация начала накапливаться благодаряиспользованиюискусственных метеорологическихспутников
Земли (МСЗ) и метеорологических радиолокаторов (МРЛ). Она, например, позволила обнаружить новые формы облачных систем.
На спутниковых фото шкваловые и смерчевые облака на холодных фронтах имеют вид ярко-белых изогнутых полос, гряд, цепочек Сb, вытянутых вдоль фронта. Впереди них расположены полупрозрачные волокна перистых облаков. Массив перистых облаков с нитевидными концами - типичная черта циклонического вихря на этих фото. Часто на них хорошо видны гряды конвективных ячеек диаметром 2-3 км каждая. Системы облаков вытягиваются и перемещаются в основном по ветру в средней тропосфере. Внутримассовые Сb со шквалами и грозами беспорядочно разбросаны в виде ярко-белых пятен размером от 10-20 до 100-200 км и более. Между ними хорошо просматриваются реки, горы. В волновых возмущениях на фронтах скопления Сb образуют овальные пятна размером тысячи квадратных километров. Размытые и маскированные фронты ночью и утром (на инфракрасных снимках) имеют вид отдельных пятен, полос, цепочек или вихрей различных форм, яркости и высоты. Днем с усилением прогрева и развитием конвекции под ними начинаются шквалы и грозы. На спутниковых фото видны и кажущиеся неподвижными облачные валы (часто со шквалами под ними), которые располагаются вдоль горных хребтов и над их вершинами.
Спутниковые наблюдения показывают, что поля конвективных ячеек (обычные в тылу циклона) при сильных ветрах формируют гряды, сходящиеся к зоне холода. Здесь развивается интенсивная конвекция с ливнями и грозами. Она охватывает значительный слой тропосферы, иногда вплоть до тропопаузы. Обнаруживается также и фронт порывов ветра впереди дугообразных полос Сb, его различают по виду перистых вееров - наковален перед Сb и по градиенту яркости у края Сb, Быстро движущиеся облачные дуги характеризуются более сильными порывами ветра.
Сопоставляя снимки с МСЗ за последовательные сроки поступления сигналов при каждом новом витке МСЗ, синоптики определяют направление и скорость перемещения очагов Сb и их эволюцию, а экстраполируя - определяют их будущее положение. Это позволяет уточнить прогноз погоды.
Неоценимую помощь оказывают синоптикам и наблюдения с помощью МРЛ. Они дают возможность более детально проследить за расположением и эволюцией зон Сb и уточнить особенности развития грозово-градово-шкваловых облаков. Например, установлено, что горизонтальные размеры шкваловых очагов велики, порядка 5-10 тыс. км 2 , они крупнее ливневых и грозовых очагов. Обычно шкваловые очаги движутся быстрее грозовых, со скоростью 30-60 км/ч, иногда до 100-120 км/ч. Эту скорость можно определить, рассматривая экран локатора через небольшие промежутки времени - 10 - 15 минут.
Скорость движения облачных очагов и их мощность - главные критерии силы возможных порывов ветра при шквалах. Последние вспыхивают отдельными пятнами на участках шириной от нескольких до десятков километров там, где вершины Сb поднимаются выше 12-14 км. Чем выше вершины этих облаков, тем сильнее порывы ветра. Установлено, что при высоте вершин 9-10 км порывы ветра достигают всего 15-20 м/с, а при высоте 13 - 14 км - более 30-40 м/с. Определили, например, что если облако имеет высоту более 11-13 км (высота радиолокационного отражения сигнала более 9 км), то это уже не просто шкваловое, а смерченосное облако. Обнаружены некоторые внешние признаки опасных облаков. Так, опасен облачный грозовой ворот впереди облака на высоте 300-500 м, самолет не должен к нему приближаться. Такие опасные облака дают на экране МРЛ яркий сигнал, имеющий особую форму гигантской запятой.
Никакими другими средствами наблюдения нельзя получить столь детальную картину эволюции шкваловых очагов и с такой частотой. Таким образом, новая информация, накапливающаяся в результате использования новых технических средств, существенно обновляет арсенал синоптиков.
Нарушитель покоя атмосферы. Конвекция, термики
Как возникает и развивается шкваловое, грозовое облако? В Сb скорость вертикальных движений может достигать нескольких десятков метров в секунду. Причина таких движений воздуха - конвекция. Это преимущественно вертикальные движения, зависящие от разностей температур между воздухом, вовлеченным в конвекцию, и окружающим воздухом. Можно говорить о динамической конвекции, противопоставляя ее термической конвекции. Например, воздух, нагревшийся над теплыми участками земной поверхности, устремляется вверх благодаря термической конвекции. Высота подъема зависит от стратификации атмосферы - распределения температуры в окружающем воздухе - и от скорости охлаждения (за счет работы расширения) поднимающегося объема воздуха.
Сухой и не насыщенный водяным паром воздух на каждые сто метров подъема охлаждается почти на один градус - по так называемому сухоадиабатическому закону. Воздух, насыщенный водяным паром, охлаждается медленнее (на 0,6° С на 100 м подъема) - по влажноадиабатическомузакону, так как выделяется скрытое тепло конденсации. Любой показатель возможности шквала учитывает способность атмосферы к вертикальным движениям - термическую (конвективную) неустойчивость стратификации атмосферы, изменение с высотой скорости ветра, дефицитов точки росы («недосыщение» водяного пара) и другие термодинамические параметры состояния атмосферы.
Если в окружающем воздухе температура с высотой убывает меньше чем на 0,6°С на 100 м, то атмосфера стратифицирована устойчиво: любой ее объем, поднимаясь, на некоторой высоте окажется более холодным, чем окружающий воздух. Но бывают неустойчивые состояния, когда вертикальный градиент температуры близок к 1 °С на 100 м или еще больше. При очень неустойчивой стратификации образуются конвективные струи воздуха. Так возникают пыльные вихри, пыльные смерчи.
В поднимающемся влажном воздухе водяной пар, охлаждаясь, на некоторой высоте (на уровне, который называется уровнем конденсации) достигает насыщения и собирается (на ядрах конденсации, которых всегда много) в капельки. Так образуется облако. Восходящие потоки в облаках теплее окружающего воздуха на 1-4°С. Эта разность в верхней части облака больше, чем внизу, и чем она вообще больше, тем быстрее растет облако.
Прогрев воздуха снизу - причина развития конвективных струй поднимающегося воздуха. Когда конвекция усиливается, становится упорядоченной, возникают облака конвекции, самые мощные из которых связаны со шквалами и смерчами. Эта конвекция усиливается в зоне холодного фронта. Конвективные облака - облака вертикального развития - лучше развиваются летними днями, когда усиливается турбулентный тепло- и влагообмен между поверхностью Земли и атмосферой. В этом причина того, что 92% шквалов в СССР наблюдается в мае - августе, обычно после полудня (как и ливни из этих облаков), на юге и на возвышенностях чаще, чем на севере и на равнинах.
Конвективные облака еще недостаточно изучены. В мощные Сb влетать на самолетах - «летающих лабораториях» запрещается, как и на любых самолетах. Показания радиозондов в таких облаках неустойчивы. Вихри в Сb подобны «электрофорным машинам», в которых рождаются сильные электрические заряды, грозы. Однако многолетние исследования и поиски путей рассеивания и создания искусственных облаков, «управления» штормами пролили свет на многие важные детали эволюции облаков.
Основное звено механизма конвекции-такназываемые термики, устойчивые и сильные восходящие движения воздуха. Это струи и пузыри более теплого воздуха. Их, например, используют для набора высоты при полетах на планерах и дельтапланах. Термики имеют различные размеры; объединяясь, они укрупняются, образуя «стержень», кинематическую основу конвективного вихревого облака. Термики существуют недолго, появляются и исчезают, сменяя и дополняя друг друга. Одновременно развиваются семейства тер-миков различной мощности. Чем теплее струя, крупнеетермик, тем стремительнее и мощнее подъем воздуха, выше уровень конвекции, до которого поднимается в этой струе водяной пар, и значит, выше облака. Вертикальный столб приобретает вращательное движение. В течение нескольких часов этот вращающийся столб воздуха может сменять свои «одежды»- облако умирает или возрождается в зависимости от поступления в него влаги. Именно с такими суперячейками связано возникновение дуговых шквалов и смерчей, сопровождающихся градом.
Жизнь шквалового облака
Присмотритесь, как в разгар лета растут кучевые облака. Сначала какие-то неясные белесые сгустки собираются на голубом небе. Облаков еще нет, но небо мутнеет, белесость ослабляет прямые лучи Солнца. К полудню появляются небольшие скопления разрозненных кучевых облаков, похожих на стога сена. Они медленно плывут по небу, почти не меняя своей высоты. Это кучевые облака хорошей погоды. По мере дневного прогрева усиливается испарение. Если воздух влажен, то вы чувствуете, что парит. Облаков становится все больше. Затем появляются мощные кучевые облака (Сu cong). ЕСЛИ ОНИ продолжают расти, то перерастают в кучево-дождевые (Сb), и мы ожидаем грозы, ливня, шквала.
Иногда на вас надвигается линия шквалов - холодный фронт, и уже с утра на горизонте громоздятся башенкообразные высококучевые облака. Темный облачный вал фронта надвигается стремительно. Но и он, как сказано выше, состоит из отдельных Сb, каждое со своим вихрем, которые могут сложно соединяться.
Каждое кучево-дождевое облако подобно гигантскому насосу, оно с силой всасывает воздух в область, над которой на вершине Сb ветры расходятся и воздух выносится из облака (обычно через наковальню- переднюю перистую часть вершины, имеющую вид седых волос, развевающихся по ветру). К таким облакам запрещено подлетать на самолетах, потому что даже мощный суперлайнер может быть в облаке подброшен на сотни метров. Наблюдения показали, что планеры и радиозонды подчас втягиваются в нижнюю часть облака. Однако они отталкиваются от его вершины и стенок и увлекаются вращательным потоком вокруг облака. Вершины облаков пульсируют, перекатываются.
Исследования показали, что жизненный цикл одного отдельного облака (рождение, рост, зрелость, распад) редко длится более получаса, а небольшие Сu живут всего 5-10 минут. Лишь особо мощные Сb распадаются через 1-2 часа после возникновения. Но в таких случаях облако не одиноко, и не всегда можно заметить смену его другим. А смерчевые облака существуют иногда несколько часов.
Для того чтобы облако давало осадки, оно должно стать коллоидально неустойчивым, то есть в нем одновременно должны существовать водяные капли и кристаллы льда. Это бывает тогда, когда его вершина проникла в слой воздуха с температурой ниже нуля градусов. Изредка оледеневшие вершины облаков могут оставаться округлыми, «лысыми», что является признаком их роста. Обычно же из вершин выбрасываются пучки ледяных перистых облаков, образующих наковальню; это уже признак наличия механизма шквала и грозы. В облаке более крупныемезомасштабные струи размером 5-10 км по нескольку минут сохраняют устойчивость как ветви конвективной циркуляции, которая определяет собой его размеры, темп и характер развития вихрей, интенсивность конвекции и т. д.
Недавно установлены некоторые типичные параметры шквалово-смерчевых облаков. Центральная часть вращающейся струи в облаке неширока- 1-2 км, лишь в особо мощных Сb, где формируется упорядоченная конвекция, ее ширина может достичь 10-12 км. Наибольшие скорости подъема воздуха доходят, по расчетам, до 63 м/с, однако обычно они во много раз меньше и редко превышают 20-30 м/с. Мощные Сb имеют высоту в три-четыре раза больше их диаметра, вершины их состоят из нескольких куполов - облачных «шапок» размером от 200 до 2000 м. Поперечник мелких вихрей в облаках 25-300 м.
В стадии роста (длящейся 10-20 минут) поперечник облака удваивается. В зрелой стадии (40-50 минут) наковальня теряет симметричность, ее подветренный край вытягивается по ветру. Облако растет с одной стороны и рассеивается с другой. Скорость роста Сb достигает 2,6 м/с: заполчаса облако вырастает на 4-5 км. С прекращением роста купола Сb начинают оседать, облако распадается за 10-15 минут. Нередко облако стремительно тает в средней части (при выпадении ливня) и остаются лишь следы перистой наковальни.
Установлено, что грозовые облака всегда выше 7-8 км. Но верхняя кромка шкваловых фронтальных облаков еще выше - более 11-12 км. Данные МРЛ показывают, что высота Сb порой достигает 18-19 км в низких широтах. Горизонтальные размеры системы таких высоких облаков могут доходить до 50 и даже 70 км. Куполы Сb иногда проникают на высоту более 4-5 км над основанием тропопаузы. Именно такие мощные Сb чреваты шквалами.
Шквалово-грозовые облака существуют популяциями - обширными, часто хаотическими облачными полями или фронтальными полосами, состоящими из конгломератов облаков, конвективных ячеек. Безоблачные «улицы» шириной до десятков километров разделяют несколько параллельных полос Сb, нередко сходящихся в спирали (не только в тропических циклонах, но и на периферии внетропических). Спиральные гряды Сb вытянуты вдоль тропосферных ветров (тогда они как бы малоподвижны) или же под углом (до 60-80°) к ветру (тогда полосы смещаются быстро). Встречаются грядовые и мозаичные структуры популяций Си и Сb.
В НИЗКИХ широтах мезомасштабная конвекция - основной механизм тепло- и влагообмена. Так, например, кучевые облака пассатов рассматривают как «энергопроводы», питающие планетную систему ветров. Мощные Сb в этих широтах можно назвать «цилиндрами» теплоэнергетического двигателя, в котором холодильниками служат полярные широты. Подсчитано, что количество воды, переносимое в стратосферу одиночными Сb, достигает 3600 т в час. В таком облаке ежесекундно из пара образуется до 10 т воды, а во всех Сb в течение лета только над этими широтами США - около 13 млн. т. Поэтому Сb можно назвать преобразователями, «котлами», в которых рождаются стихии: водяной пар превращается в ливневый дождь, а скрытое тепло конденсации - в ощутимую кинетическую энергию бури, шквалов.
Структура шквалов
Передняя часть холодного фронта - «клина» холодного воздуха, вторгающегося в теплые районы, имеет форму «головы» высотой до 2-3 км. Это объясняет бурность явлений, силу порывов ветра впереди шквала и скачок давления у земли. Усиление конвекции, активный подъем воздуха перед вторгающейся «головой», на ее лобовой части образует шкваловый вал, вихрь с горизонтальной осью, нижняя часть которого и производит на земле разрушительное действие. Верхняя часть вихря движется вперед, а нижняя - назад, он как бы катится. Шкваловая зона фронта имеет длину до 200-800 км; как мы уже говорили, «солдаты» шквалового фронта - это разрозненные или объединившиеся, сменяющие друг друга Сb. Каждый Сb обычно в своей передней нижней части имеет вихрь, который нередко приобретает вид дуги- облачного вала, «рукава».
Опускание холодного воздуха в зоне ливневых осадков сопровождается нагреванием (на 0,6° С на 100 м) с меньшей интенсивностью, чем происходило охлаждение при подъеме (на 1°С на 100 м). Поэтому воздух в тылу шквала холоднее окружающего, и без того холодного. Зимой в высоких широтах похолодание зачастую сопровождается снежными зарядами, интенсивными снегопадами при порывах холодного ветра над незамерзшими участками моря. Контраст температуры вода-воздух способствует развитию турбулентности, сильных порывов ветра.
В растекающемся под Сb холодном потоке у земли могут обнаруживаться вторичные шкваловые порывы ветра. Они характеризуются сильными вертикальными бросками воздуха, которые в авиации называют болтанкой.
Вторжение плотного воздуха определяет собой резкое изменение атмосферного давления. В момент сильного порыва ветра в передней части шквала на фоне некоторого понижения давления отмечается скачкообразное его повышение, иногда на несколько гектопаскалей за считанные минуты. Затем вновь продолжается плавное понижение давления. Запись скачка давления на барограмме получила название шквалового, грозового «носа». Этот скачок давления происходит в связи с динамическим взаимодействием опускающегося холодного воздуха (и ливня) с поверхностью Земли. Под облаком образуется грозовой мезаантициклон, подобный «капле» холодного воздуха поперечником до нескольких десятков километров и высотой 300-1 500 м, в виде купола, перемещающегося вместе с очагом ливневых облаков. В его передней части как раз и образуется мезо-масштабный холодный шкваловый псевдофронт, зона порывов ветра.
Именно на этом холодном мезофронте возникают шквалы, а в некоторых случаях - смерчи. В момент прохождения фронта порывов ветра отмечается грозовой «нос».
Ветер силен и над мезоантициклоном, здесь возникает струя - сильный ветер на малой высоте. Даже слабая конвективная система обладает мезоструей со значительным сдвигом ветра. Сдвиг ветра - это изменение его скорости по горизонтали и вертикали, причина сильной порывистости и формирования вихрей, шквалов. Сдвиг обнаруживается и под Сb, его «выдают» полосы падения осадков, не достигающих земли из-за высокой температуры и сухости приземных слоев воздуха. Сдвиг - примета воронкообразности Сb, когда под ними рождаются вихри или даже смерчи.
Мезомасштабную структуру поля ветра в зоне популяций в СССР исследуют с 50-х гг. Этой цели служат установленные на «летающих лабораториях» доплеровские излучатели, радиолокационное прослеживание искусственных облаков (состоящих из дипольных отражателей) и др. Исследования показали, что ветер вокруг Сb не хаотичен и зависит от стадии развития облака и его размеров. Но на фронте действует конгломерат облаков, находящихся одновременно в разных стадиях своего развития, что делает неопределенной структуру ветра, тем более что каждый Сb - непрерывно развивающаяся динамичная система вихрей.
Мезоантициклоны, мезоструи, шкваловые мезофронты, фронты порывов ветра - новые объекты исследований последних лет.
Куда идут шквалы?
Мрачный вид грозово-шквалового облака, отдаленный гром, молнии, порывы ветра пугают людей. От грозы и шквала лучше всего вовремя укрыться.
Локальность шквалов затрудняет их исследование: даже современная сеть метеостанций обнаруживает только каждый пятый шквал, а максимальные порывы ветра удается зафиксировать лишь при прохождении ливневой струи - центра нисходящего потока под облаком. Однако направление порыва ветра еще не говорит о направлении перемещения всего шквалового вихря.
Траектория смещения шквалового облака зависит прежде всего от распределения ветра по высоте во всей тропосфере и от размеров облака. Крупные Сb зачастую смещаются несколько вправо от среднего ветра (вспомните постоянство действия силы Кориолиса). Если облако вращается вокруг вертикальной оси, то действует еще и эффект Магнуса, сносящий его в сторону. Новые вихревые облачные ячейки чаще растут с правого фланга облака и рассеиваются с левого. Но бывает и так, что развивающийся Сb разделяется: одна его часть движется вправо и вращается по часовой стрелке, вторая - влево, вращаясь циклонически. Если ветер с высотой поворачивает вправо (например, у земли - западный, а на высоте - северо-западный), то восходящий поток теплого воздуха в облаке формируется правее, а нисходящий - левее середины Сb. Это, конечно, влияет на эволюцию облака и его смещение. Наклоненные ветром шкваловые облака развиваются быстрее, как бы «растягиваются». Восходящий поток в верхней части облака наклоняется по ветру и влево и выносится из наковальни вперед. При этом горизонтальные размеры восходящего потока несколько уменьшаются с высотой, вихрь вытягивается вдоль ведущего края шторма иногда более чем на 10 км. Этот же сдвиг ветра может разрушить облака в одних случаях, и способствовать развитию смерчей - в других.
Кроме структуры Сb и ведущего потока, на его движение оказывает сильное влияние рельеф. В горных районах Сb тормозятся сильнее, чем на равнинах, и лишь при тропосферном ветре сильнее 40 км/ч влияние рельефа ослабевает.
С облаком перемещается и связанный с ним мезофронт, псевдофронт. Поднимая перед собой влажный неустойчивый воздух, фронт способствует развитию новых Сb, новых шквалов. Кроме того, воздушный поток изгибает Сb, нижняя и верхняя части которого могут опережать среднюю. С боков облака могут втягивать в себя струи ветра, усиливая вращение облака и смещая его относительно общего воздушного потока.
Исследование взаимодействия воздушных потоков в облачном слое с особенностями структуры облаков в последнее десятилетие привлекает все большее внимание ученых.
Имя шквала
Многие местности со сложной орографией характеризуются присущими им шквалами. Они получают «собственное имя», хотя их природа и структура, имеют много общего со шквалами в других местностях с аналогичными условиями. Так, например, семейство Сb вытягивается вдоль длинных горных хребтов подобно неподвижной арке, дуге протяженностью в десятки, а то и сотни километров. В этих облаках отчетливо видны мощные вихри диаметром 200-300 м. Семейства Сb формируются над горами и предгорьями при возникновении теплых ветров с гор - фенов или при обвалах холодного воздуха с гор - боры. Это, например, в горах Сьерры - так называемые волны Сьерры, в горах Дальнего Запада США - Дуга чинука. В восточной Бенгалии дуга начинается над Бенгальским заливом и образует внешний край громадного грозового облака с типичной наковальней - признаком шквала. В Гвинейском заливе дуговое облако предшествует возникновению смерчей, шквальной бури. В Малаккском проливе известен суматра - ночной дуговой шквал с сильными грозами и ливнем, обычный для периода юго-западного муссона и связанный с системой дуговых облаков длиной до 400 км. Дуговые шквалы встречаются в Европе, в Альпах, где они получили свое название, в предгорьях украинских Карпат и др.
Облака со шквалами формируются в связи со стоком холодного воздуха с гор при господстве тропосферного потока, перпендикулярного горному хребту. Шквалы достигают большой силы, когда поперек горной гряды развивается значительная разность атмосферного давления. Обвалы воздуха с перевалов в сторону низкого давления происходят толчками, и ветер приобретает характер орографических мезоструй и воздухопадов, усиливаясь в сужениях рельефа и приобретая вращение вокруг горизонтальной оси. Например, бора - это зимний шквалистый ветер, сток, обвал сухого и холодного воздуха с невысокого горного хребта, мощный воздухопад по крутому подветренному горному склону с холодного нагорья к теплым предгорьям или к морю. Шквал обрушивается стремительно с резкими похолоданиями, пульсирующими порывами. Различают стадии развития боры: накопления холодного воздуха на наветренной (высокой) стороне хребта; начала перетекания воздуха через перевал; обвала на подветренную сторону и возникновения предгорного шквала; затем наступает ослабление боры. Широко известны боры: Новороссийская, Адриатическая,Новоземельская, Кизеловская, северовосточные ветры в Венеции, на склонах хребта Чингиз-Тау, северо-западный муссон на гористых побережьях Дальнего Востока, воздухопады с хребтов, окружающих Байкал (сарма и др.), шквалистые воздухопады на Земле Франца-Иосифа и др.
Шквалами являются и пыльные бури, развивающиеся на холодных фронтах при сильном нагреве почв, оголенных от растительности, когда вихрь гонит перед собой мощную стену пыли. Пыльные бури развиваются вверх и по площади, перемещаются вместе с фронтом, проходя при этом ряд стадий, от небольших очагов - вихрей у земли до огромных пылевых облаков, вытянутых по потоку на сотни километров. Пылевые потоки имеют хорошо видный из космоса фронт в виде вала, стены пыли. Это и есть линия шквалов. Основные очаги пыльных шквалов на планете - это Северная, Центральная, Западная и Восточная Африка, Аравийский полуостров, Нижнее Поволжье и Северный Кавказ, юг Украины, пустыни и степи Средней Азии, Монголии, Китая, степи Австралии, центральные штаты США (так называемая Чаша пыли, или Пояс торнадо), пампасы Южной Америки. Самый крупный очаг пыльных шквалов и бурь - это Сахара. Для Африки весьма характерна, например, песчаная буря на холодном фронте - хабуб, «дующая неистово» в пустынях Судана, Египта, Аравии. Она обрушивается со скоростью автомобиля и предшествует грозовому ливню. Шквал, вихрь гонит перед собой облака пыли в виде стены высотой иногда до 1500 м, шириной до 30 км. Во всей этой зоне ветер имеет разрушительную силу. Буря может длиться до двух часов, иногда заканчивается сильным ливнем из мощных Сb. Менее продолжителен (до 10 минут), но также внезапен самум - сухой и пыльный весенне-летний шкваловый вихрь раскаленного воздуха с песком в пустынях Малой Азии, Аравии и Сахары. В Египте и Ливане недоброй славой пользуется южный или юго-восточный шквалистыйхамсин, дующий после дней весеннего равноденствия в течение 50 дней (с перерывами) впереди циклонов.
Ветры пустынь, вырываясь на Средиземное море, увлажняются и вместе с красной пылью приносят в Европу удушающий зной. Это сирокко - горячий, очень пыльный и вместе с тем влажный ветер, налетающий шквалами. Он имеет различные местные названия: левече, картахена,бочорно, сахель, гибли, шергуи, нотиа, остриа, фурианте, марцио, малеццо и др.
Не все шквалы в Африке пыльные. В Южной Сахаре дожди несколько регулярнее и обильнее, чем в северной; летом это тропические ливни, настоящие потопы со стремительными грозовыми шквалами. Они возникают при начале или окончании дождевого юго-западного муссона и встрече его с сухим и пыльным северо-восточным харматтаном - пассатом, который тоже нередко имеет характер шквалов. В нагретом воздухе появляется относительно холодный нисходящий поток. Такие шквалы и ливни здесь неправильно называют ураганами. Шквальные порывы ветра предшествуют и завершают эти короткие и бурные возмущения атмосферы, перемещающиеся на запад, к Атлантическому океану.
Характер шквалов имеют и снежные бури - бураны, метели, пурги. Они встречаются под различными названиями. Это, например, акман, тукман, гарасат - в Татарии, калаидашт - на Памире, северо-восточный курдай и мугоджарский ураган - на одноименных перевалах, торок,торопец - на севере Союза, торон - северо-западный шквал на Каспии, бюрль - в горах Франции, флурри - в Канаде, фриск винд - в Швеции и др. Нередко осенне-зимние бури вблизи побережий морей тоже представляют собой шквалы - вихри с горизонтальной осью. На юго-восточном побережье Бразилии это северный шквал аброхоло, на юге Кубы - байамо, на Байкале - байкал, на севере Целебеса - барат, на южном берегу Аравии - северный белат, в Японии - бофу, на западных берегах Франции - галерно, на Гаваях - каваиха, коала, в Персидском заливе -лагеймар, в Шотландии - ландлаш, на юге Малакки - рибут, в Центральной Америке - чубаско, на юго-западе Индостана - элефанта, в Тайваньском проливе - кват и т. п. Моряки называют тропические шквалы фамильярно - бразер, булз аи (бычий глаз) или кокид-боб (косоглазый Боб).
В горных или холмистых странах неравномерное нагревание смежных территорий способствует обострению атмосферных фронтов и развитию шквалов. Собственные имена имеют бури на холодных фронтах: северный шквал аджина шамол (чертов ветер) - на Амударье, стрыйский шквал - в Предкарпатье, варзобокий шквал - в Таджикистане, очаковский шквал - на юге Украины, южный шквал - на Иссык-Куле, армавирский восточняк, карадарьинский штормовой карабуран, кызылбуран, сарык, афганец - в Средней Азии, норд, хазри - в Баку, южный барстер и северныйбрикфильдер (кирпичник) - в Австралии, дойнионн - период шквалов в Ирландии, сухой хуан-фын - в Пекине, кайджу - в Бразилии, наф хат - в Аравии, сонора-шторм - в Нижней Калифорнии, турбонадос - на севере Испании, колла - юго-западные шквалы на Филиппинах, северныйчоколатеро - в Мексике и многие другие.
Иногда орография определяет собой спиралевидную форму шквала, например техашапи в Калифорнии. Этому способствует прогрев обращенных к солнцу склонов и форма долины, вдоль которой развит большой барический градиент, а следовательно, и сильный ветер, имеющий характер шквала. А на Новой Земле, например, когда начинается бора и в некоторых ущельях дует штормовой «сквозняк», на выходе из ущелий при ясном небе могут возникать смерчеподобные вихри с вертикальной осью.
Шквалом называют внезапное усиление ветра до бури с резким изменением направления.
Шквальный ветер нередко сравнивают с ударом: настолько велики бывают разрушения, которые производит шквал в несколько минут.
По своей силе шквальный ветер не только не уступает бурям, но даже превосходит их.
На изучение природы шквалов было обращено особое внимание в конце прошлого века, после катастрофы в 1878 г. с английским военным фрегатом «Эвридик». Фрегат возвращался из дальнего плавания. На пристани толпились встречающие. «Эвридик» показался на горизонте, с каждой минутой вырисовываясь все яснее и яснее. Когда до берега оставалось каких-нибудь 2-3 км, внезапно налетел шквал. Люди на пристани были сбиты с ног ветром. Масса мокрого снега закрыла весь горизонт, превратив день в ночь. Море закипело и покрылось огромными валами. Продолжалось это не более пяти минут. Ураганный ветер внезапно стих, перестал идти снег, прояснилось небо. Но от фрегата не осталось следа! Тщетно всматривались люди в море. Там было пусто. Фрегат «Эвридик» был опрокинут ветровым ударом и моментально затонул со всем экипажем. Только через несколько дней после шквала водолазы нашли корабль на дне моря у входа в бухту. Когда были собраны сведения из разных мест о пронесшемся урагане, то оказалось, что он шел с громадной скоростью - 90 км/час, - очень узкой (2-3 км ширины) полосой. Длина полосы была свыше 700 км.
Теперь уже хорошо известно, какие причины порождают такой внезапный ураганный ветер. Шквал возникает при вторжении холодной массы воздуха в теплую. Обычно это бывает на холодном фронте. Холодный воздух при вторжении вытесняет теплый, заставляя его уходить вверх. При охлаждении теплого воздуха вверху образуются кучево-дождевые облака, разражающиеся ливнем, градом, шквалом, который всегда идет длинной узкой полосой, обычно от 500 м до 6 км шириной. Перед фронтом шквала дуют обычно слабые ветры. На самом же фронте ветер резко меняет свое направление, иногда даже на совершенно противоположное, и усиливается.
Шквальное облако имеет очень характерный вид: оно черное, с рваными краями, как бы когтями, спускающимися вниз, и белой завесой дождя в глубине облака. Облако идет низко над землей; нижний его край все время меняет форму. По внешнему виду этого облака наблюдатель может догадаться о предстоящем шквале.
Сильнейший шквал пронесся над Москвой 28 мая 1937 г. Скорость шквального ветра достигала 35 м/сек, причем нарастание силы ветра произошло сразу, скачком. Шквал продолжался несколько минут, сопровождаясь грозой, ливнем и градом. Капли дождя, раздробленные ветром, неслись сплошной завесой, подобно снежному бурану. В наступивших сумерках нельзя было ничего различить в трех шагах. В гуле шквала тонули раскаты грома.
В 1942 г. в г. Такома (США) шквал разрушил висячий мост над заливом длиной около одного километра.
В наше время ученые научились предвидеть шквалы. Для этого необходимо следить по ежедневным картам погоды за холодными фронтами.
Определяя их передвижение, можно своевременно предупреждать районы, которым угрожает шквал.
СМЕРЧИ (ТОРНАДО, ТРОМБ)
В природе иногда бывает так, что все затихает, но это - затишье перед бурей. Приближается огромная мрачная туча. Гром становится все сильнее и сильнее. И вдруг из-за завесы дождя с правой стороны облака начинает выходить крутящийся вал. Извиваясь, как змея, он подходит к краю тучи, изгибается и направляется вниз к земле. Вот он опускается все ниже и ниже. Навстречу ему с земли поднимается крутящийся столб пыли, образуется фигура, похожая на хобот гигантского слона. Внутри «хобота» воздух вращается с огромной скоростью и одновременно по спирали энергично поднимается вверх. «Хобот» не стоит на одном месте, он все время перемещается, хотя и сравнительно медленно. Когда «хобот» приближается к месту наблюдения, то можно видеть ураганную скорость вращения воздуха по летающим веткам, сучьям, а иногда доскам и бревнам. Продолжается это 1-2 минуты, после чего вихрь быстро уходит дальше и начинается обычная гроза с сильным ливнем.
Такой вихрь называется смерчем. Он почти всегда связан с грозой. Скорость ветра внутри смерча может достигать 100 и более метров в секунду, намного превышая скорость жестоких ураганов. Диаметр смерча на водной поверхности бывает от 25 до 100 м, на суше еще больше - от 100 до 1000 м, а иногда и до 1,5-2 км. Видимая высота «хобота» достигает 800-1500 м.
В США и Мексике смерч называется по-иному - торнадо, а в Западной Европе - тромб. Там в сельских местностях жители устраивают специальные погреба, куда прячутся при приближении этого грозного явления природы. У нас смерчи наблюдаются очень редко. Маленькие пыльные вихревые столбы, напоминающие модель смерча, не являются смерчами: они имеют совсем другое происхождение.
Следует отметить, что ветер при прохождении смерча, даже на близком расстоянии от него, имеет ту же скорость, какая была до появления смерча. Иногда, в то время как смерч проносится через какую-либо местность, все разрушая на своем пути, на расстоянии нескольких десятков метров от него стоит почти полный штиль.
Сильное разрежение воздуха внутри смерча вызывает значительное падение температуры, что приводит к конденсации водяного пара, имеющегося в воздухе; поэтому-то «хобот» имеет вид облачного столба. Понижением давления объясняют и всасывающее действие смерча, когда он захватывает разные предметы и переносит их на большие расстояния. Водяные смерчи могут всасывать рыбу и выбрасывать ее на берег. «Рыбные дожди» - явление, которое раньше вызывало ужас у людей. Если смерч пройдет над болотом, которое «цветет» и имеет «ржавую воду», то он выбросит в соседнем районе «кровавый дождь».
В 1927 г. в окрестностях г. Серпухова над одним из небольших озер появился смерч. Он набрал много воды вместе с рыбой в свой гигантский «хобот», пошел на город и на окраинах его вылил все содержимое «хобота» на землю.
В 1933 г. на Дальнем Востоке, в селе Кавалерове, расположенном в 50 км от моря, после сильного ливня на полях было обнаружено большое количество медуз. Принес их сюда смерч.
Загадка происхождения смерчей еще не решена. Ученые предполагают, что смерч зарождается в центральной части мощного грозового облака, где наблюдаются самые сильные восходящие потоки и происходят резкие скачки ветра, как по направлению, так и по силе. Здесь находится «ось» вертикальных потоков. Если эти сильнейшие восходящие потоки будут «опрокинуты» еще более мощным горизонтальным течением воздуха, тогда образуется вихрь с горизонтальной осью. Сносимый горизонтальным течением, он как бы покатится вперед и начнет выходить из облака. По законам механики такой вихрь должен стать кольцевым. Поэтому вихрь начинает изгибаться по обе стороны облака и спускаться до земли. И действительно, довольно часто наблюдали двухсторонний смерч, который опускал «хоботы» слева и справа от облака одновременно.
Смерч, который опустился с правой (по движению) стороны облака, должен иметь вращение против часовой стрелки, а опустившийся слева - по часовой стрелке. Это подтверждается наблюдениями за расположением упавших деревьев в лесу на «смерчевой просеке» и уцелевшими деревьями, кроны которых были закручены смерчем. Установлено, что зарождение смерча в облаке происходит на высоте 3-4 км.
Так как смерч - редкое и местное явление, то предвидение его почти невозможно. Что касается борьбы с ним, то еще в прошлом веке водяные смерчи разбивали пушечными ядрами. Это вполне возможно, если вспомнить, что диаметр водяных смерчей измеряется метрами, редко - десятками метров. Разбить сухопутный смерч диаметром в сотни метров таким способом вряд ли удастся.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .
ШКВАЛИСТЫЙ, шквалистая, шквалистое; шквалист, шквалиста, шквалисто. Являющийся шквалом. Шквалистый ветер. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова
Сильный, шквальный, шкваловой, штормовой, порывистый Словарь русских синонимов. шквалистый прил., кол во синонимов: 9 голомянистый (10) … Словарь синонимов
Прил. 1. соотн. с сущ. шквал, связанный с ним 2. Напоминающий шквал 1.. 3. Сопровождающийся шквалом [шквал 1.]. Толковый словарь Ефремовой. Т. Ф. Ефремова. 2000 … Современный толковый словарь русского языка Ефремовой
Шквалистый, шквалистая, шквалистое, шквалистые, шквалистого, шквалистой, шквалистого, шквалистых, шквалистому, шквалистой, шквалистому, шквалистым, шквалистый, шквалистую, шквалистое, шквалистые, шквалистого, шквалистую, шквалистое, шквалистых,… … Формы слов
шквалистый - шкв алистый … Русский орфографический словарь
шквалистый - … Орфографический словарь русского языка
Ая, ое; лист, а, о. 1. Являющийся шквалом, со шквалами (1 зн.). Ш. ветер. Ш. порыв. 2. Сопровождаемый шквалом (шквалами). Ш ая погода. Ш ые осадки. Ш ое облако … Энциклопедический словарь
шквалистый - ая, ое; лист, а, о. 1) являющийся шквалом, со шквалами 1) Шква/листый ветер. Шква/листый порыв. 2) Сопровождаемый шквалом (шквалами). Ш ая погода. Ш ые осадки. Ш ое облако … Словарь многих выражений
шквалистый - шквал/ист/ый … Морфемно-орфографический словарь
Ветер с порывами скорости, превосходящими 10 м/сек. Самойлов К. И. Морской словарь. М. Л.: Государственное Военно морское Издательство НКВМФ Союза ССР, 1941 … Морской словарь
Книги
- Страх полета , Ершов Василий Васильевич. Немолодой, но опытный пилот Климов ведет воздушное судно в Норильск. Вдруг один из двигателей самолета…
- Страх полета , Ершов В.. Немолодой, но опытный пилот Климов ведет воздушное судно в Норильск. Вдруг один из двигателей самолета…
Шквал — это внезапный сильный ветер, налетевший будто бы из ниоткуда. Его часто сравнивают с ударом мощной воздушной волны, которая образуется после взрыва крупного заряда взрывчатки: такими мощными бывают разрушения, которые случаются за считанные минуты. По своей разрушительной силе шквал не только не уступает бурям, но часто превосходит их.
В 70-х годах XIX столетия случилась страшная катастрофа с военным кораблем «Эвридик», принадлежащем английской армии. Фрегат возвращался в родные края из далеких морей. На пристани его ждала толпа встречающих. И вот вот уже «Эвридик» замаячил вдали, у самого горизонта. Это был быстроходный корабль и он быстро приближался, становясь с каждой минутой все виднее и яснее. Наконец до берега осталось не более двух километров.
Внезапно налетел шквальный ветер. Люди на берегу были сбиты с ног и засыпаны мокрым снегом. Огромные массы снега стеной загородили горизонт, превратив светлый день в темную ночь. На море ветер поднял огромные валы. Но это длилось недолго. Всего через пять минут ураганный ветер вдруг стих, снегопад сошел на нет, а небо сиюминутно прояснилось. Фрегата на горизонте не было. Он был перевернут сильным ударом ветра и моментально затонул со своим экипажем на борту. Его нашли, спустя несколько дней, на морском дне у входа в бухту.
После этой катастрофы на шквалы обратили пристальное внимание ученые. Из разных мест быстро собрали сведения об урагане, который промчался мимо бухты, где затонул «Эвридик». Как выяснилось, ураганный ветер мчался со скоростью 90 километров в час и шёл очень узкой, всего 2-3 километра полосой. Эта полоса достигала в длину 700 километров.
Через некоторое время учёные выяснили причину возникновения такого сильного и внезапно налетающего ветра. Шквал, как правило, появляется когда холодный воздух вторгается в широкую массу тёплого. Холодный воздух быстро вытесняет тёплый и вынуждает его подниматься вверх. Вверху тёплый воздух охлаждается и образует кучево-дождевые облака. Из этих облаков и обрушиваются шквалом дождь, снег или град. Перед фронтом ветер дует несильно. Но стоит ветру подуть вдоль фронта, как он быстро набирает скорость и несётся длинной узкой полосой. Эта полоса имеет ширину от 500 до 6000 метров.
Шквальное облако можно узнать издалека. Оно обычно чёрного цвета. У этого облака рваные края, которые словно гигантские пальцы спускаются вниз. Внутри облака видна белая завеса из дождя. Шквальное облако обычно плывет низко над поверхностью земли, а его нижний край постоянно меняет форму.
В 1942 году в Американском городе Такама сильный шквал сорвал километровый мост, который висел над заливом.
В нашем столетии учёные уже умеют высчитывать пути прохождения шквала. Для этой цели составляются ежедневные карты погоды. Прослеживая продвижения холодного фронта, можно своевременно оповещать районы, на которые может налететь шквал.
Метеорологические опасные явления – природные процессы и явления, возникающие в атмосфере под действием различных природных факторов или их сочетаний, оказывающие или могущие оказать поражающее воздействие на людей, сельскохозяйственных животных и растений, объекты экономики и окружающую природную среду.
Ветер – это перемещение воздуха параллельно земной поверхности, возникающее в результате неравномерного распределения тепла и атмосферного давления и направленное из зоны высокого давления в зоною низкого давления.
Ветер характеризуется:
1. Направлением ветра - определяется азимутом стороны горизонта, откуда
он дует, и измеряется в градусах.
2. Скоростью ветра – измеряется в метрах в секунду (м/с; км/ч; милях/час)
(1 миля = 1609 км; 1 морская миля = 1853 км).
3. Силой ветра – измеряется давлением, которое он оказывает на 1 м2
поверхности. Сила ветра меняется почти пропорционального скорости,
поэтому силу ветра часто оценивают не давлением, а скоростью, что
упрощает восприятие и понимание этих величин.
Для обозначения движения ветра используют много слов: смерч, буря, ураган, шторм, тайфун, циклон и множество местных названий. Чтобы их систематизировать, во всем мире пользуются шкалой Бофорта, которая позволяет весьма точно оценить силу ветра в баллах (от 0 до 12) по его действию на наземные предметы или на волнение в море. Удобна эта шкала еще и тем, что она позволяет по описанным в ней признакам довольно точно определить скорость ветра без приборов.
Шкала Бофорта (табл. 1)
Баллы
|
Словесное определение
|
Скорость ветра,
|
Действие ветра на суше |
|
На суше |
На море |
|||
0,0 – 0,2 |
Штиль. Дым поднимается вертикально |
Зеркально гладкое море |
||
Тихий ветерок |
0,3 –1,5 |
Направление ветра заметно по относу дыма, |
Рябь, пены на гребнях нет |
|
Легкий бриз |
1,6 – 3,3 |
Движение ветра ощущается лицом, шелестят листья, движется флюгер |
Короткие волны, гребни не опрокидываются и кажутся стекловидными |
|
Слабый бриз |
3,4 – 5,4 |
Листья и тонкие ветви деревьев колышутся, ветер развевает верхние флаги |
Короткие хорошо выраженные волны. Гребни, опрокидываясь, образуют пену, изредка образуются маленькие белые барашки. |
|
Умеренный бриз |
5,5 –7,9 |
Ветер поднимает пыль и бумажки, приводит в движение тонкие ветви деревьев |
Волны удлиненные, белые барашки видны во многих местах. |
|
Свежий бриз |
8,0 –10,7 |
Качаются тонкие стволы деревьев, на воде появляются волны с гребнями |
Хорошо развитые в длину, но не очень крупные волны, повсюду видны белые барашки. |
|
Сильный бриз |
10,8 – 13,8 |
Качаются толстые сучья деревьев, гудят провода |
Начинают образовываться крупные волны. Белые пенистые гребни занимают значительные площади. |
|
Крепкий ветер |
13,9 – 17,1 |
Качаются стволы деревьев, идти против ветра трудно |
Волны громоздятся, гребни срываются, пена ложится полосами по ветру |
|
Очень крепкий ветер (буря) |
17,2 – 20,7 |
Ветер ломает сучья деревьев, идти против ветра очень трудно |
Умеренно высокие, длинные волны. По краям гребней начинают взлетать брызги. Полосы пены ложатся рядами по ветру. |
|
Шторм |
20,8 –24,4 |
Небольшие повреждения; ветер срывает дымовые колпаки и черепицу |
Высокие волны. Пена широкими плотными полосами ложится по ветру. Гребни волн опрокидываются и рассыпаются в брызги. |
|
Сильный шторм |
24,5 –28,4 |
Значительные разрушения строений, деревья вырываются с корнем. На суше бывает редко |
Очень высокие волны с длинными загибающими |
|
Жестокий шторм |
28,5 – 32,6 |
Большие разрушения на значительном пространстве. На суше наблюдается очень редко |
Исключительно высокие волны. Суда временами скрываются из вида. Море все покрыто длинными хлопьями пены. Края волн повсюду сдуваются в пену. Видимость плохая. |
|
32,7 и более |
Тяжелые предметы переносятся ветром на значительные расстояния |
Воздух наполнен пеной и брызгами. Море все покрыто полосами пены. Очень плохая видимость. |
Бризом (от легкого до сильного бриза) моряки называют ветер, имеющий скорость от 4 до 31 мили/час. В пересчете на километры (коэффициент 1,6) это будет 6,4-50 км/час
Скорость и направления ветра определяют погоду и климат.
Сильные ветры, значительные перепады атмосферного давления и большое количество осадков вызывают опасные атмосферные вихри (циклоны, бури, шквалы, ураганы) которые могут вызвать разрушения и человеческие жертвы.
Циклон – общее название вихрей с пониженным давлением в центре.
Антициклон – это область повышенного давления в атмосфере с максимумом в центре. В Северном полушарии ветры в антициклоне дуют против часовой стрелки, а в Южном – по часовой стрелке, в циклоне движение ветра обратное.
Ураган
- ветер разрушительной силы и значительной продолжительности, скорость которого равна или превышает 32,7 м/с (12 баллов по шкале Бофорта), что равнозначно 117 км/ч (табл. 1).
В половине случаев скорость ветра при урагане превышает 35 м/сек, доходя до 40-60 м/сек, а иногда и до100 м/сек.
В зависимости от скорости ветра ураганы классифицируются на три типа:
- ураган
(32 м/с и более),
- сильный ураган
(39,2 м/с и более)
- жестокий ураган
(48,6 м/с и более).
Причиной подобных ураганных ветров является возникновение, как правило, на линии столкновения фронтов теплых и холодных воздушных масс, мощных циклонов с резким перепадом давления от периферии к центру и с созданием вихревого воздушного потока, движущегося в нижних слоях (3-5 км) по спирали к середине и вверх, в северном полушарии – против часовой стрелки.
Такие циклоны, в зависимости от места их возникновения и структуры, принято подразделять на:
-
тропические циклоны
встречаются над теплыми тропическими океанами, в стадии формирования обычно движется на запад, а после окончания формирования изгибаются к полюсам.
Тропический циклон, достигший необычной силы, называется ураганом,
если он рождается в Атлантическом океане и примыкающих к нему морям; тайфуном –
в Тихом океане или его морях; циклоном –
в регионе Индийского океана.
циклоны умеренных широт
могут формироваться как над сушей так и над водой. Обычно они движутся с запада на восток. Характерной особенностью таких циклонов является их большая «сухость». Количество осадков при их прохождении значительно меньше, чем в зоне тропических циклонов.
На Европейский материк воздействуют как тропические ураганы, зарождающиеся в центральной Атлантике, так и циклоны умеренных широт.
Буря
–
разновидность урагана, но имеет меньшую скорость ветра 15-31
м/сек.
Длительность бурь – от нескольких часов до нескольких суток, ширина от десятков до нескольких сотен километров.
Бури подразделяются:
2. Потоковые бури
–
это местные явления небольшого распространения. Они слабее, чем вихревые бури. Они подразделяются:
- стоковые –
поток воздуха движется по склону сверху вниз.
- Струевые –
характерны тем, что поток воздуха движется горизонтально или вверх по склону.
Проходят потоковые бури чаще всего между цепями гор, соединяющих долины.
В зависимости от окраски частиц, вовлеченных в движение, различают черные, красные, желто-красные и белые бури.
В зависимости от скорости ветра бури классифицируются:
- буря 20 м/сек и более
- сильная буря 26 м/ сек и более
- жесткая буря 30,5 м/сек и более.
Шквал – резкое кратковременное усиление ветра до 20–30 м/с и выше, сопровождающееся изменением его направления, связанного с конвективными процессами. Несмотря на кратковременность шквалов, они могут приводить к катастрофическим последствиям. Шквалы в большинстве случаев связаны с кучево-дождевыми (грозовыми) облаками либо местной конвекции, либо холодного фронта. Шквал обычно связан с ливневыми осадками и грозой, иногда с градом. Атмосферное давление при шквале резко повышается в связи с бурным выпадением осадков, а затем - снова падает.
По возможности ограничения зоны воздействия все перечисленные стихийные бедствия относят к нелокализуемым.
Опасные последствия ураганов и бурь.
Ураганы являются одной из самых мощных сил стихии и по своему пагубному воздействию не уступают таким страшным стихийным бедствиям, как землетрясения. Это объясняется тем, что ураганы несут в себе колоссальную энергию. Ее количество, выделяемое средним по мощности ураганом в течение 1 ч, равно энергии ядерного взрыва в 36 Мт. За один день выделяется количество энергии, которой хватило бы для полугодового обеспечения электричеством такой страны, как США. А за две недели (средняя продолжительность существования урагана) такой ураган выделяет энергию, равную энергии Братской ГЭС, которую она может выработать за 26 тыс. лет. Очень высоким является и давление в зоне урагана. Оно достигает нескольких сот килограммов на квадратный метр неподвижной поверхности, расположенной перпендикулярно к направлению движения ветра.
Ураганный ветер разрушает прочные и сносит легкие строения, опустошает засеянные поля, обрывает провода и валит столбы линий электропередачи и связи, повреждает транспортные магистрали и мосты, ломает и вырывает с корнями деревья, повреждает и топит суда, вызывает аварии на коммунально-энергетических сетях, в производстве. Известны случаи, когда ураганный ветер разрушал дамбы и плотины, что приводило к большим наводнениям, сбрасывал с рельсов поезда, срывал с опоры мосты, валил фабричные трубы, выбрасывал на сушу корабли. Часто ураганы сопровождают сильные ливни, которые опаснее самого урагана, так как являются причиной селевых потоков и оползней.
Размеры ураганов различны. Обычно за ширину урагана принимают ширину зоны катастрофических разрушений. Часто к этой зоне прибавляют территорию ветров штормовой силы со сравнительно небольшими разрушениями. Тогда ширина урагана измеряется сотнями километров, достигая иногда 1000 км. Для тайфунов полоса разрушений обычно составляет 15-45 км. Средняя продолжительность урагана – 9-12 суток. Ураганы возникают в любое время года, но наиболее часто с июля по октябрь. В остальные 8 месяцев они редки, пути их коротки.
Ущерб, причиняемый ураганом, определяется целым комплексом различных факторов, в том числе рельефом местности, степенью застройки и прочностью строений, характером растительности, присутствием в зоне его действия населения и животных, временем года, проведенными профилактическими мероприятиями и рядом других обстоятельств, главным из которых является скоростной напор воздушного потока q, пропорциональный произведению плотности атмосферного воздуха на квадрат скорости воздушного потока q = 0,5pv 2 .
Согласно строительным нормам и правилам максимальное нормативное значение ветрового давления составляет q = 0,85 кПа, что при плотности воздуха r = 1,22 кг/м3 соответствует скорости ветра.
Для сравнения можно привести расчетные значения скоростного напора, использованные для проектирования атомных станций для района Карибского бассейна: для сооружений I категории – 3,44 кПа, II и III – 1,75 кПа и для открытых установок – 1,15 кПа.
Ежегодно около ста мощных ураганов шествуют по земному шару, вызывая разрушения и нередко унося человеческие жизни (табл. 2). 23 июня 1997 года над большей частью Брестской и Минской областей пронесся ураган, в результате которого 4 человека погибли, 50 – были ранены. В Брестской области было обесточено 229 населенных пунктов, выведена из строя 1071 подстанция, сорваны крыши с 10-80 % жилых домов в более чем в 100 населенных пунктах, разрушено до 60 % зданий сельскохозяйственного производства. В Минской области было обесточено 1410 населенных пунктов, повреждены сотни домов. Поломаны и вывернуты с корнями деревья в лесах и лесопарках. В конце декабря 1999 года от ураганного ветра, пронесшегося по Европе, пострадала и Беларусь. Были порваны линии электропередачи, многие населенные пункты обесточены. Всего от урагана пострадали 70 районов и более 1500 населенных пунктов. Только в Гродненской области вышли из строя 325 трансформаторных подстанций, в Могилевской еще больше – 665.
Таблица 2
Последствия воздействия некоторых ураганов
Место катастрофы, год |
Число погибших |
Число раненых |
Сопутствующие явления |
Гаити, 1963 |
Не фиксировалось |
||
Не фиксировалось |
|||
Гондурас, 1974 |
Не фиксировалось |
||
Австралия, 1974 |
|||
Шри-Ланка, 1978 |
Не фиксировалось |
||
Доминиканская республика, 1979 |
|||
Не фиксировалось |
|||
Индокитай, 1981 |
Не фиксировалось |
Наводнение |
|
Бангладеш, 1985 |
Не фиксировалось |
Наводнение |
Смерч (торнадо) – вихревое движение воздуха, распространяющегося в виде гигантского черного столба диаметром до сотен метров, внутри которого наблюдается разряжение воздуха, куда затягиваются различные предметы.
Смерчи возникают как над водной поверхность, так и над сушей, значительно чаще, чем ураганы. Очень часто они сопровождаются грозами, градом и ливнями. Скорость вращения воздуха в пылевом столбе достигает 50-300 м/сек и более. За время своего существования он может пройти путь до 600 км - по полосе местности шириной в несколько сотен метров, а иногда и до нескольких километров, где и возникают разрушения. Воздух в столбе поднимается по спирали и затягивает в себя пыль, воду, предметы, людей.
Опасные факторы:
попавшие в смерч постройки из-за разряжения в столбе воздуха разрушаются от напора воздуха изнутри. Он вырывает деревья с корнями, опрокидывает автомобили, поезда, поднимает в воздух дома и т. д.
Смерчи в РБ возникали в 1859, 1927 и 1956 годах.