Торнадо являются одними из самых жестоких и впечатляющих погодных явлений на Земле. Эти быстро вращающиеся столбы воздуха, которые простираются от грозы до земли, могут создавать скорость ветра, превышающую 300 миль в час, оставляя путь разрушения, который может растягиваться на мили. Несмотря на их репутацию непредсказуемости, торнадо образуются при определенном наборе атмосферных условий, которые ученые интенсивно изучали в течение десятилетий. Понимание науки, стоящей за образованием торнадо - точное сочетание нестабильности, сдвига ветра, подъема и влаги - не только удовлетворяет любопытство, но и спасает жизни благодаря улучшенным системам прогнозирования и раннего предупреждения.

Рецепт для торнадо: ключевые ингредиенты

Каждый торнадо начинается с сильной грозы, но не все сильные грозы производят торнадо. Четыре критических ингредиента должны объединяться в правильной комбинации:

  • Нестабильность — Это относится к тенденции атмосферы к вертикальному движению. Когда теплый, влажный воздух вблизи поверхности ограничен более холодным, более сухим воздухом в воздухе, теплый воздух становится плавучим и поднимается взрывоопасно. Чем круче температура снижается с высотой, тем более неустойчивой становится атмосфера. Метеорологи измеряют нестабильность с помощью индексов, таких как CAPE (конвективная доступная потенциальная энергия), которая количественно определяет энергию, доступную для восходящих потоков. Высокие значения CAPE, часто превышающие 2500 Дж/кг, являются отличительной чертой торнадо-склонных сред.
  • Сдвига ветра — Сдвига ветра — это изменение скорости ветра или направления с высотой. В формировании торнадо смещение направления (ветеры, смещающиеся с юга на поверхность в западном направлении) и сдвига скорости (ветеры, увеличивающиеся с высотой) играют жизненно важные роли. Этот сдвиг создает горизонтальную катящуюся трубку воздуха вблизи земли. При правильных условиях сильный восходящий поток может наклонить это горизонтальное вращение в вертикальную колонну, установив сцену для мезоциклона и, в конечном итоге, торнадо.
  • Подъем — Требуется механизм для повышения воздуха, приводимого в движение нестабильностью.Обычные механизмы подъема включают холодные фронты, теплые фронты, сухопутные линии (границы между влажным и сухим воздухом), границы оттока от предыдущих штормов и даже подъем по рельефу. Без подъема потенциальная энергия нестабильности остается неиспользованной.
  • Влажность — Высокая влажность в нижней тропосфере (измеряется точками росы, обычно выше 60 °F или 15 °C) обеспечивает топливо для развития грозы.Влажность конденсируется по мере роста воздуха, выделяя скрытое тепло, которое дополнительно усиливает восходящие потоки. Мексиканский залив является основным источником влаги для вспышек торнадо в Соединенных Штатах.

Их точное взаимодействие, особенно баланс между нестабильностью и сдвигом ветра, определяет, будет ли вращаться гроза и будет ли это вращение стягиваться в торнадо.

Роль суперклеточных гроз

В то время как торнадо может иногда образовываться в линиях гроз (квазилинейных конвективных систем) или даже в тропических циклонах, подавляющее большинство значительных торнадо происходят от определенного типа шторма: суперклетка. Суперклетки характеризуются глубоким, стойким вращающимся восходящим потоком, называемым мезоциклоном. Этот вращающийся столб воздуха обычно охватывает несколько километров в диаметре и является родительской циркуляцией, из которой может спуститься торнадо.

Что делает суперклетки настолько опасными, так это их способность выдерживать себя в течение нескольких часов, часто создавая множественные торнадо, большой град и повреждая прямые ветры. Мезоциклон образуется, когда сдвиг ветра создает горизонтальную вихрь (вращения), который попадает в штормовой подъем. После наклона вертикально, вращение ускоряется из-за сохранения углового момента - принцип, подобный фигуристу, тянущему в своих руках, чтобы вращаться быстрее.

Как развивается мезоциклон

Жизненный цикл суперклетки можно разбить на этапы:

  1. Формирование: Шторм развивает сильный восходящий поток в среде, богатой нестабильностью и сдвигом. Дождь и град начинают падать, но восходящий поток остается отдельным от нисходящего, что позволяет шторму оставаться организованным.
  2. Зрелая стадия:] Мезоциклон становится хорошо зарекомендовавшим себя, часто видимым на радаре как эхо крючка — отличительная форма, вызванная дождем, оборачивающимся вокруг вращающегося восходящего потока.
  3. Рассеяние: В конце концов, охлажденные нисходящие потоки отсекают теплый приток воздуха, ослабляя мезоциклон.Однако шторм может по-прежнему производить торнадо циклическим способом по мере развития новых восходящих потоков на его фланге.

Стадии развития торнадо

Даже в суперклетке образование торнадо — это шаг за шагом. Национальная метеорологическая служба описывает четыре основных этапа:

  1. Облако стен:] По мере усиления мезоциклона происходит понижение облачной базы — настенного облака. Это часто предвестник развития торнадо. Настенное облако образуется там, где воздух с дождевым охлаждением втягивается в восходящий поток, насыщая воздух и производя вращающуюся облачную базу.
  2. Облако воронки: Облако в форме воронки, вращающееся от облака стены, но не достигает земли. На этой стадии вращение видно, и обломки могут быть подняты в воздух, если воронка частично опускается.
  3. Торнадо: Когда вороночное облако касается земли, оно официально становится торнадо. Характерное облако обломков у основания часто является первым признаком опасного торнадо. Скорость ветра может колебаться от 65 миль в час до более 300 миль в час в зависимости от интенсивности.
  4. Декай: Торнадо может подниматься обратно в облако, становиться веревочным и в конце концов рассеиваться по мере ослабления мезоциклона или нарушения притока.Одни торнадо длятся всего несколько секунд; другие могут оставаться на земле более часа.

Классификация и интенсивность: расширенная шкала Фудзиты

Для классификации торнадо на основе повреждений метеорологи используют шкалу FLT:0 (EF), принятую в 2007 году в качестве обновления к первоначальной шкале Fujita. Шкала EF присваивает рейтинг от EF0 до EF5 на основе предполагаемой скорости порыва ветра в три секунды и наблюдаемого ущерба. Она включает в себя 28 показателей ущерба (DI), таких как деревья, дома и коммерческие здания, каждый со степенями повреждения (DOD).

  • EF0: 65-85 миль в час — легкие повреждения; некоторые черепицы удалены, ветки деревьев сломаны.
  • EF1: 86-110 миль в час — Умеренные повреждения; крыши сильно обнажены, перевернуты мобильные дома.
  • EF2: 111-135 миль в час — значительные повреждения; крыши оторваны, большие деревья вырваны или выкорчеваны.
  • EF3:] 136–165 миль в час — серьёзные повреждения; целые истории хорошо построенных домов разрушены, тяжёлые автомобили подняты.
  • EF4: 166—200 миль в час — Разрушительные повреждения; хорошо построенные дома выровнены, брошены автомобили.
  • EF5: Более 200 миль в час — Невероятные повреждения; дома с прочными рамами выровнялись и сметены, ракеты автомобильного размера в воздухе.

Важно отметить, что шкала EF основана на повреждениях, а не на непосредственно измеренной скорости ветра. Только небольшой процент торнадо (FLT:0) около 1% (FLT:1)) достигает интенсивности EF4 или EF5, но они составляют непропорционально большую долю смертельных случаев.

Торнадо триггеры: что их отпускает

В то время как ингредиенты и структура суперклеток обеспечивают потенциал, конкретные триггеры часто являются последним толчком, который приводит к торнадо. Понимание этих триггеров помогает прогнозистам выдавать предупреждения с большим временем наведения.

Холодные фронты и сухожилия

Наиболее распространенным триггером для торнадических суперклеток является сильный холодный фронт, продвигающийся в теплый, влажный воздух. Фронт действует как клин, поднимая неустойчивый воздух. В Великих равнинах Соединенных Штатов, сухой линии — граница, отделяющая влажный воздух из залива от сухого пустынного воздуха на запад — это одинаково мощный триггер. Сухие линии часто вызывают взрывное развитие грозы весной и в начале лета. пересечение холодного фронта и сухой линии может произвести то, что метеорологи называют «тройной точкой», зоной, особенно благоприятной для торнадогенеза.

Низкоуровневые самолеты и ночные торнадо

Многие торнадо происходят в конце дня, когда на поверхности максимальный нагрев, но ночные торнадо особенно опасны, потому что их труднее увидеть и поймать людей врасплох. А низкоуровневая струя — лента быстро движущегося воздуха, обычно на несколько тысяч футов над землей — может усилить сдвиг ветра и поддерживать суперклетки в ночь. Ночные торнадо в два раза чаще смертельны, чем дневные.

Топографические влияния

Местная местность также может вызвать или усилить образование торнадо. Например, наблюдалось, что Долина реки Миссисипи и предгорья Аппалачей влияют на штормовое поведение, хотя механизмы все еще изучаются. Напротив, горные районы видят гораздо меньше торнадо, потому что сложная местность нарушает низкоуровневый поток ветра, необходимый для вращения.

Климатология торнадо: где и когда

Торнадо встречаются на всех континентах, кроме Антарктиды, но Соединенные Штаты испытывают больше, чем любая другая страна - примерно 1200 в год. Это связано с его уникальной географией: теплый, влажный воздух из Мексиканского залива встречает холодный, сухой воздух со Скалистых гор и Канады через обширную равнину без восточно-западного горного хребта, чтобы заблокировать их.

Торнадо Аллея и Дикси Аллея

Наиболее известным регионом, подверженным торнадо, является Аллея торнадо, которая охватывает части Техаса, Оклахомы, Канзаса, Небраски и Дакоты. Здесь весна приносит идеальное сочетание ингредиентов. Однако отдельная зона высокого риска, известная как Аллея Дикси, охватывает юго-восточные Соединенные Штаты, включая Миссисипи, Алабаму, Теннесси и Джорджию. Торнадо в Аллее Дикси, как правило, чаще встречаются ночью, часто заворачиваются дождем (трудно увидеть) и имеют более высокий уровень смертности из-за плотности населения и отсутствия подвалов.

Сезонные шаблоны

Пик сезона торнадо приходится на весну (апрель-июнь) на Аллее Торнадо, но сезон сдвигается раньше на юго-востоке (февраль-апрель) и может распространяться на лето на Северных равнинах. Осень также может принести вторичный пик. Национальная лаборатория сильных штормов отмечает, что активность торнадо наблюдалась в каждом месяце года где-то в континентальной части Соединенных Штатов.

Прогнозирование и обнаружение

Современное прогнозирование торнадо основано на комбинации компьютерных моделей, спутниковых данных и наземных наблюдений. Центр прогнозирования штормов (SPC) выпускает прогнозы за несколько дней до этого, классифицируя уровни риска торнадо от «маргинального» до «высокого». В день события синоптики используют WSR-88D Доплеровский радар для обнаружения сигнатур мезоциклонов и торнадо. Торнадо вихревая сигнатура (TVS), доплеровская скоростная пара, которая указывает на интенсивное, концентрированное вращение. Когда ТВС обнаруживается вместе с шаром мусора — область высокой отражательной способности от торнадо — выдается предупреждение о торнадо.

Споттерные сети и технологии

Обученные метеосмотрщики (добровольцы Skywarn) и охотники за штормами обеспечивают наземную правду. Их сообщения о вороночных облаках, настенных облаках и повреждениях помогают подтвердить торнадо, обозначенные радарами. Совсем недавно радар с двойной поляризацией улучшил обнаружение обломков и типа осадков, а исследования мобильных радаров и беспилотников улучшают нашу способность измерять скорость ветра внутри торнадо.

Готовность и безопасность

Понимание науки, стоящей за торнадо, подчеркивает важность подготовки. Национальная метеорологическая служба подчеркивает подход «Подготовка, Акт, Выживание»:

  • Приготовьтесь: Определите безопасную комнату — подвал, штормовой погреб или внутреннюю комнату на самом нижнем этаже без окон. В районах, подверженных торнадо, рассмотрите безопасную комнату, одобренную FEMA. Сохраните аварийный комплект с водой, едой, фонариками, метеорологическим радио с батарейным питанием и средствами первой помощи.
  • Действуйте: Когда предупреждение о торнадо выдается для вашего района, немедленно укройтесь. Не ждите, чтобы увидеть торнадо. Перейдите в свою безопасную комнату и прикройте голову шлемом, матрасом или тяжелыми одеялами для защиты от мусора — основной причины травмы.
  • Выживите: Оставайтесь в укрытии до тех пор, пока не истечет предупреждение или вы не уверены, что опасность миновала. После этого следите за такими опасностями, как сбитые линии электропередач, утечки газа и структурные повреждения. Используйте фонарики, а не свечи, чтобы избежать воспламенения утечек газа.

Также важно понимать разницу между часами торнадо (условия благоприятны) и предупреждением о торнадо (торнадо неизбежен или происходит).

Оригинальное название: The Continuing Quest to Understand Tornadoes

Наука о торнадо - это история физики атмосферы, технологий и человеческой устойчивости. От тонкого взаимодействия температуры и влаги до насильственного высвобождения энергии вращения, каждый торнадо является уникальным выражением силы природы. Хотя мы никогда не можем остановить торнадо, мы можем - посредством исследований, улучшенного прогнозирования и государственного образования - снизить их количество. Понимание условий и триггеров, которые приводят к этим штормам, дает возможность людям и сообществам быть готовыми. По мере продвижения метеорологических инструментов и углубления наших знаний тайна торнадо дает, по одному вращению за раз, к ясности науки.