Міністерство освіти
Російської Федерації
Саратовський Державний університет
імені Н.Г. Чернишевського
Реферат на тему:
Смерч
Виконав студент
2 курсу, групи фізичної географії
географічного факультету
Анікін Ілля
Саратов 2001
Смерч - одне з жорстоких, руйнівних явищ природи. На думку В.В. Кушина, смерч - це не вітер, а скручений у тонкостінну трубу «хобот» дощу, який обертається навколо осі зі швидкістю 300-500 км / ч. За рахунок відцентрових сил усередині труби створюється розрядження, і тиск падає до 0,3 атм. Якщо стінка «хобота» лійки рветься, наткнувшись на перешкоду, то усередину воронки вривається зовнішнє повітря. Перепад тисків 0,5 атм. розганяє вторинний повітряний потік до швидкостей 330 м / с (1200 км / год) і більше, тобто до надзвукових швидкостей. Смерчі утворюються при нестійкому стані атмосфери, коли повітря у верхніх шарах дуже холодний, а в нижніх теплий. Відбувається інтенсивний повітрообмін, супроводжуваний освітою вихору величезної сили.
Виникають такі вихри в потужних грозових хмарах і часто супроводжуються грозою, дощем, градом. Очевидно, не можна сказати, що смерчі виникають у кожному грозовій хмарі. Як правело, це відбувається на межі фронтів - у перехідній зоні між теплою і холодною повітряними масами. Прогнозувати смерчі поки не вдається, і тому їх поява буває несподіваним.
Смерч живе недовго, тому що досить скоро холодна і тепла повітряні маси перемішуються, і таким чином підтримує його причина зникає. Однак навіть за нетривалий період свого життя смерч може зробити величезні руйнування.
Фізична природа смерчу дуже різноманітна. З точки зору фізика-метеоролога - це скручений дощ, невідома раніше форма існування опадів. Для фізика-механіка - це незвичайна форма вихору, а саме: двошаровий вихор з повітряно-водяними стінками й різким розходженням швидкостей і густин обох шарів. Для фізика-теплотехніка смерч - це гігантська гравітаційно-теплова машина величезної потужності; в ній потужні повітряні потоки створюються і підтримуються за рахунок теплоти фазового переходу вода-лід, яка виділяється водою, захопленої смерчем з будь-якого природної водойми, коли вона потрапляє у верхні шари тропосфери .
До цих пір смерч не поспішає розкривати й інші свої таємниці. Так, немає відповідей на багато питань. Що являє собою воронка смерчу? Що додає її стінок сильне обертання і величезну руйнівну силу? Чому смерч стійкий?
Дослідити смерч не просто важко, а й небезпечно - при безпосередньому контакті він знищує не тільки вимірювальну апаратуру, але і спостерігача.
Зіставляючи опису смерчів (торнадо) минулого й нинішнього століть в Росії та інших країнах, можна бачити, що вони розвиваються і живуть за однаковими законами, але ці закони до кінця не з'ясовані й поведінка смерчу здається непередбачуваним.
Під час проходження смерчів природно все ховаються, біжать, і людям не до спостережень, а тим більше вимірів параметрів смерчів. Те деяке про внутрішню будову лійки, що вдалося дізнатися, пов'язано з тим, що смерч, відриваючись від землі, проходив над головами людей, і тоді можна було бачити, що смерч являє собою величезний пустотілий циліндр, яскраво освітлений усередині блиском блискавок. Зсередини лунає оглушливий рев і гудіння. Вважається, що швидкість вітру в стінках смерчу доходить до звукової.
Нечисленні статистичні дані, які відомі про смерчі, зведені у таблиці.
Орієнтовні параметри смерчів
Вимірювана величина
Мінімальне значення
Максимальне значення
Висота видимої частини смерчу 10-100 м 1,5-2 км Діаметр у землі 1-10 м 1,5-2 км Діаметр у хмари 1 км 1,5-2 км Лінійна швидкість стінок 20-30 м / с 100-300 м / с Товщина стінок 3 м - Пікова потужність за 100 з 30 ГВт - Тривалість існування 1-10 хв 5 год. Шлях 10-100 м 500 км Площа руйнування 10-100 м 2
400 км 2
Максимальна маса піднятих предметів - 300 т Швидкість переміщення 0 150 км / год Тиск усередині смерчу <0,4-0,5 атм
-
Теорія смерчу була розроблена на підставі достовірного твердження, що воронка смерчу завжди приходить на землю зверху, а «ослабнувши», знову піднімається нагору. Значить вага воронки повинен бути більше ваги витісненого нею повітря, тобто за законом Архімеда вона буде «падати». Важче повітря в атмосфері може бути тільки повітря, насичене водою та / або льодом. Тому правдоподібним буде припущення, що воронка смерчу являє собою обертовий потік дощу і граду, згорнутий у спіраль у вигляді відносно тонкої стінки. Вміст води в стінках воронки повинен по масі в багато разів перевершувати зміст там повітря. Якщо щільність сухого повітря складає 1,3-1,4 кг / м 3, то щільність повітря, що містить воду і лід усередині стінок смерчу, може становити 50 і більше кг / м 3.
Якщо воронка смерчу володіє масивними стінками, то їх обертання повинно приводити до розширення воронки і зниженню тиску повітря всередині неї з-за дії відцентрових сил. Розширення воронки відбувається до тих пір, поки перепад тиску зовні і всередині не врівноважить дії відцентрових сил. Якщо виділити із стінки майданчик S, то зовні на неї буде діяти сила p S. Рівновага з відцентровими силами настане за умови: p S = mv 2 / R, де m - маса, що доводиться на одиницю площі стінки; v - швидкість стінки; R - радіус воронки.
Наведене, майже очевидне, умова рівноваги стінки воронки призводить до ряду прямих наслідків, які природно пояснюють багато властивостей смерчів.
Смерч може всмоктати і підняти вгору велику порцію снігу, піску та ін Як тільки швидкість сніжинок або піщинок досягає критичного значення, вони будуть викинуті через стінку назовні й можуть утворити навколо смерчу своєрідний футляр або чохол. Характерною особливістю цього футляра-чохла є те, що відстань від нього до стінки смерчу по всій висоті приблизно однаково: воно визначається швидкістю, яка у всіх часток з однаковою щільністю виявляється однаковою. Важливий окремий випадок, коли щільність тіла, що потрапив в смерч, близька до щільності стінки воронки. У цьому випадку рівноважна швидкість для тіла збігається зі швидкістю стінки. Якщо тіло потрапляє на внутрішню поверхню стінки, то на нього діє повітряний вихор, що обертається усередині воронки, швидкість тіла зростає і стане більше рівноважної. Тіло зміститься до зовнішньої поверхні стінки. Тут під дією тертя об зовнішнє повітря тіло загальмується, швидкість стане менше рівноважної, і тіло знову зміститься до внутрішньої поверхні стінки. Тому тіла з щільністю стінки виявляються стійкими усередині стінок. Таким чином зовнішній і внутрішній поверхневі шари виявляються в абсолютно незвичайних умовах, за яких на них безперервно діють сили, які прагнуть прибрати їх з поверхні і «заглибити» всередину стінки, тобто сили, які за своїми властивостями нагадують сили поверхневого натягу. Ці сили надають стінок смерчу підвищену стійкість до збурень, роблять їх однорідними по щільності, гладкими, чітко обмеженими.
Розглянемо в першому наближенні процеси, що виникають у грозових хмарах. Рясна волога, що попадає в хмару з нижніх шарів, виділяє багато тепла, і хмара стає нестійкою. У ньому виникають стрімкі висхідні потоки теплого повітря, які виносять маси вологи на висоту 12-15 км, і настільки ж стрімкі холодні спадні потоки, які обрушуються вниз під вагою утворилися мас дощу і граду, сильно охолоджених у верхніх шарах тропосфери. Потужність цих потоків особливо велика через те, що одночасно виникають два потоки: висхідний і спадний. З одного боку, вони не відчувають опору навколишнього середовища, тому що об'єм повітря, що йде нагору, дорівнює обсягу повітря, що минає вниз. З іншого боку, витрати енергії потоком на підйом води нагору повністю заповнюється при падінні її вниз. Тому потоки мають можливість розганяти себе до величезних швидкостей (100 м / с і більше).
В останні роки була виявлена ще одна можливість підйому великих мас води у верхні шари тропосфери. Часто при зіткненні повітряних мас відбувається утворення вихрів, які за свої відносно невеликі розміри одержали назву мезоциклонов. Мезоциклон захоплює шар повітря на висоті від 1-2 км до 8-10 км, має діаметр 8-10 км і обертається навколо вертикальної осі зі швидкістю 40-50 м / с. Існування мезоциклонов встановлено вірогідно, структура їх досліджена досить докладно. Виявлено, що в мезоциклонах на осі виникає потужна тяга, яка викидає повітря на висоти до 8-10 км і вище. Спостерігачами було виявлено, що саме в мезоциклоні іноді зароджується смерч.
Найбільш сприятлива обстановка для зародження воронки виконується при виконанні трьох умов. По-перше, мезоциклон повинен бути утворений з холодних сухих мас повітря. У цьому випадку по його висоті виникає особливо великий температурний градієнт, близький до адіабатичного значення. По-друге, мезоциклон повинен вийти в район, де в приземному шарі товщиною 1-2 км накопичилося багато вологи при високій температурі повітря 25-35 о С, тобто створено стан нестійкості приземного шару, готового до утворення осередків з висхідними і спадними потоками. Проходячи над цими районами, за короткий час мезоциклон засмоктує в себе вологу з великих просторів і закидає її на висоту 10-15 км. Температура всередині мезоциклону по всій висоті стрибком підвищується за рахунок принесеного вологою тепла, накопиченого не тільки насиченою парою, але і водяними краплями. Третя умова - це викидання мас дощу і граду. Виконання цієї умови приводить до зменшення діаметра потоку від первісного значення 5-10 км до 1-2 км і збільшенню швидкості від 30-40 м / с у верхній частині мезоциклону до 100-120 м / с - у нижній частині.
Для того, щоб мати уявлення про наслідки смерчів, коротко дамо опис московського смерчу 1904 р. і іванівського - 1984 р.
Над східною частиною Москви 29 червня 1904 пронісся сильний вихор. Його шлях лежав неподалік від трьох московських обсерваторій: Університетській - у західній частині міста, Межового інституту - у східній та Сільськогосподарської академії - в північно-західній, тому цінний матеріал зафіксували самописці цих обсерваторій. По карті погоди в 7 год ранку цього дня на сході і заході Європи розташовувалися області підвищеного тиску (більше 765 мм рт.ст.). Між ними, переважно на півдні Європейської частини Росії, перебував циклон з центром між Новозибковим (Брянська обл.) Та Києвом (751 мм рт.ст.). У 13 год він заглибився до 747 мм рт.ст. і змістився до Новозибкові, а в 21 год - до Смоленська (тиск у центрі впало до 746 мм рт.ст.). Таким чином циклон рухався з ПдПдС на ССЗ. Близько 17 год, під час проходження смерчу через Москву, місто знаходилося на північно-східному фланзі циклону. У наступні дні циклон пішов у Фінську затоку, де викликав бурі на Балтиці. Якщо зупинитися тільки на цьому синоптичної описі, то причина смерчу виразно не проступає.
Картина кілька прояснюється, якщо провести аналіз розподілу температур і повітряних мас. Теплий фронт ішов від центру циклону на Калугу, Заметчіно і Пензи, а холодний фронт - від центру циклону на Курськ, Харків, Дніпропетровськ і далі на південь. Таким чином циклон мав добре виражений теплий сектор з масами теплого вологого повітря при денних температурах 28-32 о С. Перед теплим фронтом розташовувався сухий холодне повітря з температурою 15-16 о С. У самій фронтальній зоні температура трохи вища. Контраст температур дуже великий. Розрахунок показує, що теплий фронт зміщувався на північ зі швидкістю 32-35 км / ч. Освіта московського смерчу сталося перед теплим фронтом, де за участю тропічного повітря завжди створюється загроза виникнення найсильніших гроз і шквалів.
У той день була відзначена сильна грозова діяльність у чотирьох районах Московської області: у Серпуховському, Подільському, Московському та Дмитрівському, майже впродовж 200 км. Грози з градом і бурею спостерігалися, крім того, в Калузькій, Тульській і Ярославській областях. Починаючи з Серпуховського району, буря перетворилася в ураган. Ураган посилився в Подільському районі, де постраждало 48 селищ та там жертви. Самі ж страшні спустошення приніс смерч, що виник на південний схід від Москви в районі села Бесіди. Ширина грозовий області в південній частині Московського району визначена в 15 км; тут буря рухалася з півдня на північ, а смерч виник у східній (правої) стороні грозовий смуги.
Смерч на своєму шляху справив величезні руйнування. Були знищені села Рязанцевої, Капотня, Чагіно; далі ураган налетів на Люблінську гай, вирвав з коренем і зламав до 7 га лісу, потім зруйнував села Грайвороново, Карачарово і Хохловка, вступив в східну частину Москви, знищив Анненгофскую гай в Лефортово, посаджену ще при цариці Анні Іоанівна, зірвав дахи будинків в Лефортово, пройшов в Сокільники, де повалив віковий ліс, попрямував в Лосіноостровскя, де знищив 120 га великого лісу, і розпався в районі Митищах. Далі смерчу не було, і відзначена тільки сильна буря. Довжина шляху смерчу - близько 40 км, ширина весь час коливалася від 100 до 700 м.
За зовнішнім виглядом вихор представляв собою стовп, широкий внизу, поступово звужені у вигляді конуса і знову розширювався в хмарах; в інших місцях іноді він приймав вигляд просто чорного крутящегося стовпа. Багато очевидців приймали його за піднімається чорний дим від пожежі. У тих місцях, де смерч проходив через Москва-ріку, він захоплював стільки води, що оголювалося русло.
Серед маси повалених дерев та загального хаосу місцями вдалося виявити певну послідовність: так, поблизу Любліно лежали три правильно розташовані ряду беріз: північний вітер повалив нижній ряд, над ним ліг другий, звалений східним вітром, а верхній ряд впав при південному вітрі. Отже, це ознака вихрового руху. При проходженні смерчу з півдня на північ він захопив цю ділянку правою стороною, судячи зі зміни вітру, і обертання у нього було циклональні, тобто проти годинникової стрілки, якщо дивитися зверху. Вертикальна складова вихору була надзвичайно велика. Зірвані дахи будівель летіли в повітрі, як клапті паперу. Були навіть зруйновані кам'яні стіни. У Карачарово знесена половина дзвіниці. Вихор супроводжувався страшним гулом; його руйнівна робота тривала від 30 с до 1-2 хв. Тріск валівшіхся дерев заглушувався ревом вихору.
У деяких місцях завихрення руху повітря чітко видно по характеру бурелому, але в більшості випадків звалені дерева навіть на невеликих просторах лежали у всіляких напрямках. Картина руйнувань московського смерчу виявилася дуже складною. Аналіз його слідів змусив вважати, що 29 червня 1904 через Москву промчали кілька смерчів. У всякому разі за характером руйнувань можна відзначити існування двох воронок, одна з яких рухалася в напрямку Любліно - Рогожская застава - Лефортово - Сокольники - Лосіноостровская-Митищі, а друга - Бесіди - Грайвороново - Карачарово - Ізмайлово - Черкізово. Ширина шляху обох воронок була від ста до тисячі метрів, але межі шляхів були чіткими. Будівлі на відстані декількох десятків метрів від кордонів шляху залишалися недоторканими.
А ті, що явища також характерні для сильних смерчів. Коли насувалася воронка, ставало зовсім темно. Темряві супроводжував страшний шум, рев і свист. Зафіксовані електричні явища незвичайною інтенсивності. Через часті розрядів блискавок загинуло двоє людей, кілька отримали опіки, виникали пожежі. У Сокільниках спостерігалася кульова блискавка. Дощ і град також мали незвичайну інтенсивність. Градини з куряче яйце наголошувалися неодноразово. Окремі градини мали форму зірки і важили 400-600 м.
Особливо велика руйнівна сила смерчів у садах, парках та лісах. Ось що писав "Московський листок" (1904, № 170). У Черкізово "... раптом чорна хмара абсолютно опустилося на землю і непроникною пеленою закрило митрополичий сад і гай. Все це супроводжувалося страшенним шумом і свистом, ударами грому і безперервним тріском падаючого великого граду. Пролунав оглушливий удар, і на терасу впала величезна липа. Падіння її було надзвичайно дивно, так як вона потрапила на терасу через вікно і товстим кінцем уперед. Ураган перекинув її по повітрю на 100 м. Особливо постраждала гай. У три-чотири хвилини вона перетворилася на галявину, суцільно вкриту уламками величезних беріз, місцями з коренем вирвані із землі і перекинутих на значні відстані. Цегляна огорожа кругом гаї зруйнована, причому деякі цеглини відкинуті на кілька сажнів ".
Список використаної літератури
Сноу Д.Т. Торнадо / / У світі науки, 1984, № 6. С.44-54.
Налівкін Д.В. Смерчі. М.: Наука, 1984.
Кушин В.В. Смерч. М.: Вища школа, 1993. 127 с.
Железовскій Б. Хрестоматія з природознавства. - Саратов: Регіон. Приволжья. вид-во «Дитяча книга», 1995. - 352 с.