Рождённые у экватора

Вихрь — явление все же удивительное! От других потоков однородной жидкости или газа он отличается только характером движения, включающим вращение вокруг внутренней оси. Но, по сравнению с другими потоками, он довольно долго может сохранять свою устойчивость и целостность во времени.

В природе вихри возникают во множестве. Они появляются в той части потока, где скорость быстро меняется в направлении, перпендикулярном потоку. Каждому случалось видеть вихри в быстрой реке на переходе от быстрины к замедленному течению у берега. Целая цепочка вихрей может тянуться за движущимся предметом, скажем, автомобилем. Их особенно удобно наблюдать на шоссе в метельные дни, когда машина обдувается крепким встречным ветром, а хлопья снега проявляют движение прозрачного воздуха. Такие же вихри появляются при обтекании потоком препятствий.

Вихревой характер сильного ветра был замечен в 1821 году У. Рэдфилдом, содержателем небольшого магазина в штате Коннектикут (США), который, объезжая после шторма районы штата, обратил внимание на поваленные ветром деревья. В одном месте деревья лежали макушками к северо-западу, тогда как на некотором расстоянии макушки указывали прямо противоположное направление.

Отсюда У. Рэдфилд сделал вывод, что шторм представлял собой вращательную систему ветров. Беседуя с моряками и анализируя судовые журналы, он установил направление вращения крупных вихрей и нашел траектории их центров. В 1831 году вышел труд У. Рэдфилда, излагающий результаты его исследований. Близкие взгляды высказывал также немецкий ученый В. Дове. В эти же годы были построены и первые ветровые карты.

Вообще, вихревые движения характерны для всей атмосферы Земли. И от присутствия гигантских атмосферных вихрей-циклонов и антициклонов, задающих ветровой режим в данном районе Земли, во многом зависит погода на земном шаре.

Циклоны образуются на океанских просторах в экваториальной области примерно в полосе между 10-15° северной и южной широт. Насыщенные водяными парами, отсюда они уходят на запад, все более закручиваясь и увеличивая скорость. Затем они поворачивают на север, а остаток пути совершают в северо-восточном направлении. Иногда вихрь затормаживает движение, откатывается назад, описывает одну-две петли, после чего вновь продолжает движение, придерживаясь прежнего курса. Так он движется по всему пути, длина которого достигает нескольких тысяч километров.

В западной части Тихого океана, на его островах и по азиатскому побережью, тропические циклоны называют тайфунами, в восточной части Тихого океана, в Атлантическом океане, в США, Мексике, на Больших и Малых Антильских островах — ураганами, на Филиппинах — ба-гио, в Австралии — вилли-вилли. И все эти слова означают «сильный ветер».

В вихревой системе циклонов атмосферное давление понижается от периферии к центру. Поэтому вблизи поверхности Земли воздушные течения направлены к центру циклона. Все циклоны имеют врашательную составляющую скорости ветра. В Северном полушарии она направлена против часовой стрелки, в Южном — по часовой. В развивающихся циклонах (т. е. таких, у которых давление в центре продолжает падать) наблюдаются восходящие потоки. При этом образуется облачность, и выпадают осадки.

Последние два свойства циклона связаны между собой. В самом деле, выделим мысленно некоторый объем воздуха и посмотрим, что произойдет при его подъеме. Попадая в более разреженные слои атмосферы, этот объем расширяется, температура воздуха внутри него — падает, и содержащийся в нем водяной пар конденсируется.

Направление вращения циклонов в различных полушариях можно объяснить закручивающим действием силы Кориолиса, связанной с суточным вращением Земли. Напомним известный факт, что отклоняющее действие этой силы заставляет реки подмывать свои правые берега. Воздушный поток не удерживается берегом, и поэтому при своем движении к центру он будет отклоняться вправо, если смотреть в сторону центра, т. е. против часовой стрелки при взгляде сверху.

Заметим, что возле самого экватора в полосе широт меньше 5° по обе его стороны мощные вихри не образуются. Этот факт хорошо увязывается с приведенным объяснением, поскольку на экваторе горизонтальная составляющая силы Кориолиса равна нулю.

В вихревой системе антициклона все наоборот: давление возрастает, достигая максимума в центре вихря. В развивающемся антициклоне присутствуют нисходящие потоки. Опускаясь, газ нагревается и перестает насыщаться водяным паром. Поэтому для антициклона характерна ясная малооблачная погода. Антициклоны вращаются по часовой стрелке в Северном полушарии и против часовой стрелки в Южном. Направление вращения антициклона объясняется также закручивающим действием силы Кориолиса. В зависимости от места зарождения циклоны делят на тропические и внетропические.

Внетропический циклон (называемый иногда просто циклоном) — это самый крупный атмосферный вихрь, достигающий нескольких тысяч километров в поперечнике. Высота его колеблется между 2-4 и 15-20 километрами. Скорость ветра в нем в большинстве случаев не превосходит 40-70 километров в час.

Поперечный размер тропического циклона (называемого также ураганом, тропическим ураганом, тайфуном и пр.) значительно меньше: всего несколько сот километров, высота его — до 12-15 километров. Давление в ураганах падает намного ниже, чем во внетропическом циклоне. Но зато скорость ветра в несколько раз выше, достигая 400-600 километров в час.

Самые большие скорости ветра в урагане наблюдаются вокруг так называемого «глаза бури» — зоны покоя в центральной части урагана.

Выразительное описание глаза урагана дает в книге «Охотники за тайфунами» французский журналист П.А. Молэн, пролетевший через тайфун на самолете метеослужбы. «Мы летим на высоте 3 километра в колодце диаметром 22 километра, в котором плавает несколько перистых облаков, мирных, как игрушки. Стены этого колодца представляет недвижимая буря, удерживаемая таинственной причиной. Она наполнена кипящими облаками, охваченными жесточайшими конвульсиями. Когда самолет кренится на виражах, глаза поднимаются к верхушке стены, выходу из этого колодца в 15 километрах над нами. И перед нашим удивленным взором развертываются эти кипящие стены, эта гигантская бездна, это крупное отверстие, которое и заставило назвать все явление «глазом тайфуна».

Следует отметить, что внетропические циклоны «глазом» не обладают.

Еще четче зона покоя (полость) выражена у мелкомасштабных вихрей — смерчей (торнадо, тромбов). Размеры их очень малы: ширина — от нескольких метров до 2-3 километров, в среднем 200-400 метров, высота от нескольких десятков до 1500-2000 метров, в среднем несколько сот метров. Зато скорость ветра в смерче иногда превышает звуковую: 1200 километров в час.

В сердцевине смерча давление падает очень низко, поэтому смерчи «всасывают» в себя различные, иногда очень тяжелые предметы, которые переносят затем на большие расстояния. Люди, оказавшиеся в центре смерча, погибали. Поэтому нет наблюдений его полости изнутри. Но ее видели снизу, когда смерч проходил над головой наблюдателя.

По рассказам очевидцев полость смерча похожа на внутренность черного пустого цилиндра, освещенного изнутри блеском молний, проскакивающих между стенами. В некоторых случаях наблюдатели молний не видели.

Однажды нижний край смерча прошел над головой наблюдателя на высоте 6 метров. Ширина внутренней полости этого смерча была около 130 метров, тогда как толщина стенки — всего 3 метра. В середине полости находилось яркое, светящееся голубым светом, прозрачное облако. Немного позже, когда смерч уже прошел над наблюдателем, конец его спустился к земле, коснулся соседнего дома и в одно мгновение унес его. Дом распался в воздухе.

Иногда появляются смерчи с двумя воронками. Подобное образование однажды наблюдал летчик, пролетавший на высоте около 300 метров. В черной туче была скрыта горизонтальная часть смерча — вихревое образование, вращающееся вокруг оси, вытянутой параллельно поверхности Земли. По его словам, она напоминала огромную извивающуюся змею.

Подобную «змею», переходившую в смерч, наблюдали однажды с Земли. «Змея» была наполнена водой, которую смерч высасывал из озера. Похоже, что горизонтальная часть такого смерча связана с громадным вихревым кольцом, образующимся иногда в облаках. Появляется она раньше самого смерча.

Возникают смерчи обычно в тех районах, где соприкасаются воздушные массы, которые резко отличаются друг от друга тепловыми свойствами, в области мощных вертикальных движений и сходящихся потоков.

Смерчи часто наблюдаются в равнинных штатах Северной Америки. Проходя через фермы, они разрушают строения, в частности, курятники, разбрасывая их обломки далеко по равнине. На большом расстоянии от фермы находят куски разорванных куриных тушек. Бывали случаи, когда стены и крыши курятника исчезали, а куры оставались на месте, живые или мертвые. Часть кур находят ощипанными: смерч всасывает в себя перья. Возможно, этому помогает следующее обстоятельство: в коже курицы у основания перьев находятся воздушные мешочки, которые могут взрываться, если давление окружающего воздуха упадет достаточно низко.

Так или иначе, потерять перья курица может только в том случае, если она находилась в воронке смерча. Но однажды нашли курицу, у которой перья были ощипаны только на одной половине тела. Это значит, что скорость ветра менялась на расстоянии нескольких сантиметров от «ощипывающей» до близкой к нулю.

Удивительна способность смерчей втыкать продолговатые предметы (соломинки, палки и др.) в деревья, стены домов, землю и т. п. Мелкие камни пробивают стекло подобно пулям, выпущенным из револьвера.

Зарегистрирован факт, когда во время прохождения смерча сосновая палка пробила лист железа толщиной около сантиметра. Этим же качеством обладают ураганы.

Но, вероятно, самый удивительный и единственный в своем роде случай произошел осенью 1920 года в одной из сельских школ штата Канзас. Школа представляла собой небольшой дом: в одной из комнат жила учительница, в другой, более просторной, обычно шли занятия.

Однажды во время урока в классе неожиданно потемнело, раздался какой-то шум. Дети испугались, бросились к учительнице, тесно прижались к ней. Вдруг двери и окна с грохотом вылетели прочь, в комнату ворвался черный вихрь. А затем случилось необыкновенное: все поднялось в воздух и поплыло.

Потом учительница рассказывала: «Как будто невидимые крюки подняли меня, детей и весь класс с партами в воздух. Мы все летели, и мне казалось, что некоторые дети и предметы несколько раз вращались вокруг меня. Мне стало страшно, и я потеряла сознание...»

Когда учительница очнулась, то увидела вокруг степь. К ней бежали ученики, но не все: тринадцать детей погибли...

В последние десятилетия крупные вихри исследовались со специальных самолетов метеослужбы. Радиолокаторы и метеоспутники позволили получить «изображения» глобальных ветровых систем. Особенно четкими получаются фотографии циклонов, поскольку они сопровождаются сильной облачностью и осадками. Как показывают фотографии, осадки в циклонах концентрируются в четко выделяющиеся спиральные полосы. Антициклон прозрачен, осадки в нем редки, а если они и выпадают, то обычно на периферии в виде мороси. Поэтому антициклоны значительно труднее различить на спутниковых фотографиях.

И все-таки, несмотря на обилие фактического материала, последовательной теории вихрей еще нет. Связано это, прежде всего, с тем, что в каждом конкретном случае зарождения вихря его развитие определяется огромным множеством внешних факторов. Неясно, какое именно сочетание известных условий вызовет первоначальное развитие вихря. В самом деле, до стадий урагана развиваются менее 10% образовавшихся в тропиках областей пониженного давления, остальные бесследно исчезают. Пока нельзя предсказать развитие урагана или смерча в данной конкретной ситуации.

Особенно плохо разработана теория смерчей. И дело здесь нетолько втом, что возникают они неожиданно и при более разнообразных условиях, чем ураганы (так, смерчи иногда образуются в глубине материка). Огромная скорость ветра в смерчах мешает их экспериментальному изучению. Это же обстоятельство не позволяет сколько-нибудь последовательно изучить это явление математически.

В самом деле, вроде бы, даже на самый «простой» вопрос — в какую сторону будет вращаться смерч — нельзя ответить однозначно. При громадной скорости движения внутри мелкомасштабного вихря периодический процесс суточного вращения Земли может оказаться слишком медленным, чтобы активно взаимодействовать с процессом быстрого внутреннего движения, и развитие такого мелкомасштабного вихря будет определяться только конкретными внутренними условиями в газе. Они же будут определять направление вращения вихря. Поэтому, если большие вихри Северного полушария — внетропические циклоны и ураганы — вращаются против часовой стрелки, то для смерчей того же полушария не исключается вращение по часовой стрелке.

Возможны случаи одновременного появления двух или более вихрей в одном и том же районе. Оказавшись на достаточно близком расстоянии друг от друга, такие вихри начинают взаимодействовать между собой. Но так как развитие каждого вихря определяют многие факторы, то сделать заранее какие-либо предположения о результате «встречи» двух вихрей практически невозможно.

Путь уже развившегося урагана иногда оказывается очень длинным, и, проходя его, вихрь испытывает различные превращения. При выходе из тропиков ураган принимает форму сильного внетропического циклона. Штормовые циклоны Западной Европы часто оказываются бывшими тропическими ураганами, которые прошли вдоль берегов Северной Америки и пересекли Атлантику. Некоторые из них, пройдя по Европе, уходят затем в Азию.

Когда ураган выходит на сушу, то из-за «шероховатости» земной поверхности его нижние слои начинают разрушаться. Кроме того, проходя над сушей, ураган слабеет из-за недостатка «питания» — влаги. Но если ураган оказывается вновь над океаном, то сохранившаяся его верхняя часть может «раскрутить механизм» с прежней силой. Обрушиваясь на густонаселенные районы суши, ураган уносит тысячи человеческих жизней и причиняет огромный материальный ущерб. Энергия его громадна: за один день большой ураган «расходует» энергию, равную энергии взрыва 13000 мегатонных ядерных бомб; кинетическая энергия среднего урагана равна запасу энергии l000 атомных бомб.

Деятельность ураганов меняет рельеф земной поверхности: исчезают коралловые острова, «передвигаются» берега океана, появляются новые проливы и т. п. Прогнозы перемещений циклонов и антициклонов за последние два десятилетия стали намного надежнее благодаря использованию ЭВМ и информации, доставляемой спутниками, радиолокаторами и самолетами. На помощь службе погоды приходят новые совершенные аппараты и приборы.