Смерч

Міністерство образования.

Російської Федерации.

Саратовський Державний университет.

імені Н. Г. Чернышевского.

Реферат на тему:

Смерч.

Виконав студент.

2 курсу, групи фізичної географії географічного факультета.

Анікін Илья.

Саратов 2001.

Смерч — одна з жорстоких, руйнівних явищ природи. На думку В. В. Кушина, смерч — це вітер, а скручений в тонкостенную трубу «хобот» дощу, що обертається навколо осі зі швидкістю 300−500 км/год. За рахунок відцентрових сил всередині труби створюється розрядження, і тиск падає до 0,3 атм. Якщо стінка «хобота» воронки рветься, побачивши перешкода, то всередину 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 верхніх шарах дуже холодний, а нижніх теплий. Відбувається інтенсивний повітрообмін, супроводжуваний освітою вихору величезної силы.

Виникають такі вихори в потужних грозових хмарах і найчастіше супроводжуються грозою, дощем, градом. Вочевидь, не можна сказати, що смерчі творяться у кожному грозовому хмарі. Як правело, це відбувається на грані фронтів — в перехідною зоні між теплої й холодною повітряними масами. Прогнозувати смерчі доки вдається, і тому появу буває неожиданным.

Смерч живе недовго, оскільки незабаром холодна і тепла повітряні маси перемішуються, отже підтримує його причина зникає. Але навіть за короткий період свого життя смерч може зробити величезні разрушения.

Фізична природа смерчу дуже різноманітна. З погляду фізикаметеоролога — це скручений дощ, невідома раніше форма існування опадів. Для физика-механика — це незвична форма вихору, саме: двухслойный вихор з воздушно-водяными стінками і різким відмінностями швидкостей і плотностей обох верств. Для физика-теплотехника смерч — це гігантська гравитационно-тепловая машина величезної потужності; у ній потужні повітряні потоки створюються та підтримуються з допомогою теплоти фазового переходу водалід, виділеної водою, захопленої смерчем із будь-якої природного водойми, коли він потрапляє у верхні верстви тропосферы.

До цього часу смерч не поспішає розкривати та інші свої таємниці. Але ні відповіді багато запитань. Що таке воронка смерчу? Що надає її стінок сильне обертання і величезну руйнівної сили? Чому смерч устойчив?

Досліджувати смерч непросто важко, а й небезпечно — за безпосередньої контакті він знищує як вимірювальну апаратуру, а й наблюдателя.

Зіставляючи описи смерчів (торнадо) минулого і сьогодення століть в Росії та інших країнах, можна побачити, що вони розвиваються й живуть по однаковим законам, але це закони остаточно не з’ясовано і поведінка смерчу здається непредсказуемым.

Під час проходження смерчів природно все ховаються, біжать, і людей не дуже до спостережень, а тим паче вимірів параметрів смерчів. Ту дрібноту про внутрішньому будову воронки, що Росії вдалося дізнатися, пов’язана з тим, що смерч, полишаючи землі, проходив над головами покупців, безліч можна було бачити, що смерч є величезний пустотілий циліндр, яскраво освітлений всередині блиском блискавок. Зсередини лунає оглушливий ревіння і дзижчання. Вважається, що швидкість вітру у стінках смерчу сягає звуковой.

Нечисленні статистичні дані, які відомі про смерчі, зведені в таблице.

Орієнтовні параметри смерчей.

|Яка Вимірюється величина |Мінімальна |Максимальне | | |значення |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 годину. | |Шлях |10−100 м |500 км | |Площа руйнації |10−100 м2 |400 км2 | |Максимальна маса порушених |- |300 т | |предметів | | | |Швидкість переміщення |0 |150 км/год | |Тиск всередині смерчу |< 0,4−0,5 атм|- |.

Теорія смерчу розробили виходячи з достовірного затвердження, що воронка смерчу завжди приходять землю згори, а «ослабшавши», знову піднімається нагору. Отже вагу воронки може бути більше ваги витісненого нею повітря, тобто. згідно із законом Архімеда вона «падати». Важче повітря на атмосфері може лише повітря, насичений водою і/або льодом. Тому правдоподібним буде припущення, що воронка смерчу є обертався потік дощу, і граду, згорнений в спіраль як щодо тонкої стінки. Зміст води в стінках воронки має щодо маси в багато раз перевершувати зміст там повітря. Якщо щільність сухого повітря становить 1,3−1,4 кг/м3, то щільність повітря, що містить води і лід всередині стінок смерчу, їх може становити 50 і більше кг/м3.

Якщо воронка смерчу має масивними стінками, їх обертання має спричинить розширенню воронки і зниженню тиску повітря всередині неї через дію відцентрових сил. Розширення воронки відбувається до тих пір, поки перепад тиску іззовні і всередині не врівноважує дії відцентрових сил. Якщо виділення з стінки майданчик P. S, то зовні її у діятиме сила (p (S. Рівновага з відцентровими силами настане при умови: (p (S=mv2/R, де m — маса, яка припадає на одиницю виміру площі стінки; v — швидкість стінки; R — радіус воронки.

Наведене, майже очевидне, умова рівноваги стінки воронки наштовхує на низку прямих наслідків, які природно пояснюють багато властивості смерчей.

Смерч може усмоктати і різко підняти вгору велику порцію снігу, піску та інших. Щойно швидкість сніжинок чи піщин сягає критичної позначки, вони викинуті через стінку назовні, і спроможні створити навколо смерчу своєрідний футляр чи чохол. Характерною ознакою цього футляра-чехла і те, що відстань від цього до стінки смерчу у всій висоті приблизно однакове: він визначається швидкістю, яка в усіх часток отримують за однаковою щільністю виявляється однаковою. Важливий окреме питання, коли щільність тіла, що у смерч, близька до щільності стінки воронки. У цьому випадку рівноважна швидкість для тіла збігається з швидкістю стінки. Якщо тіло потрапляє на внутрішню поверхню стінки, то, на нього діє повітряний вихор, обертався всередині воронки, швидкість тіла зростає й стане більше рівноважної. Тіло зміститься до зовнішньої поверхні стінки. Тут під впливом тертя про зовнішній повітря тіло загальмується, швидкість стане трохи менше рівноважної, і тіло знову зміститься до поверхні стінки. Тому тіла з щільністю стінки виявляються стійкими всередині стінок. Отже зовнішній і внутрішній поверхневі шари опиняються у цілком незвичайних умовах, у яких ними безупинно діють сили, які прагнуть сховати із поверхні і «заглубить» всередину стінки, тобто. сили, що за своїми властивостями нагадують сили поверхового натягу. Ці сили надають стінок смерчу підвищену опірність збурюванням, роблять їх однорідними за щільністю, гладенькими, чітко ограниченными.

Розглянемо у першому наближенні процеси, що у грозових хмарах. Красива волога, потрапляє у хмару з нижніх верств, виділяє багато тепла, і хмару стає хистким. У ньому виникають стрімкі висхідні потоки теплого повітря, які виносять маси вологи на висоту 12−15 км, і саме стрімкі холодні спадні потоки, які обрушуються вниз під вагою які утворилися мас дощу, і граду, сильно охолоджених у верхніх шарах тропосфери. Потужність цими потоками особливо велика тому, що водночас виникають два потоку: висхідний і спадний. З одного боку, вони відчувають опору довкілля, т.к. обсяг повітря, йде вгору, дорівнює обсягу повітря, минаючого вниз. З іншого боку, витрати енергії потоком на підйом води вгору повністю заповнюється під час падіння її вниз. Тому потоки мають можливість розганяти себе до величезних швидкостей (100 м/с і более).

Останніми роками було виявлено ще одне можливість підйому великих мас води в верхні верстви тропосфери. Часто у зіткненні повітряних мас відбувається освіту вихорів, які з свої відносно невеликі розміри дістали назву мезоциклонов. Мезоциклон захоплює шар повітря в розквіті 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 достовірно, структура їх досліджували досить докладно. Виявлено, що у мезоциклонах на осі виникає потужна потяг, яка викидає повітря на висоти до 8−10 км і від. Спостерігачі було виявлено, що у мезоциклоне іноді зароджується смерч.

Найбільш сприятлива обстановка для зародження воронки виконується і під час трьох умов. По-перше, мезоциклон може бути освічений з холодних сухих мас повітря. І тут з його висоті виникає особливо великий температурний градієнт, близька до адиабатическому значенням. Удругих, мезоциклон має вийти району, де у приземному прошарку завтовшки 1−2 км зібралося багато вологи за високої температури повітря 25−35оС, тобто. створено станом нестійкості приземного шару, готового до утворення осередків з висхідними і спадними потоками. Проходячи над цими районами, за короткий час мезоциклон засмоктує у собі вологу з великих просторів і закидає в висоту 10−15 км. Температура всередині мезоциклона у всій висоті стрибком підвищується з допомогою принесеного вологою тепла, накопиченого як насиченим пором, а й водяними краплями. Третє умова — це викидання мас дощу, і граду. Виконання цієї умови призводить до зменшенню діаметра потоку від початкового значення 5−10 км до 1−2 км і збільшення швидкості від 30−40 м/с у верхній частині мезоциклона до 100−120 м/с — у нижній частині. А, щоб уявити про наслідки смерчів, коротко дамо опис московського смерчу 1904 р. і іванівського — 1984 г.

Над східної частиною Москви 29 червня 1904 р. пронісся сильніший вихор. Його шлях лежав неподалік трьох московських обсерваторій: Університетській — у західній частині міста, Межового інституту — на сході і Сільськогосподарської академії - в північно-західній, тому цінний матеріал зафіксували самописи цих обсерваторій. По карті погоди о 7-й год ранку цього моменту Сході і Заході Європи розташовувалися області підвищеного тиску (більш 765 мм рт.ст.). Між ними, переважно Півдні Європейській частині Росії, перебував циклон з центром між Новозыбковым (Брянська обл.) та Києвом і (751 мм рт.ст.). О 13-й год він заглибився до 747 мм рт.ст. і змістився до Новозыбкову, а 21 год — до Смоленську (тиск у центрі впала до 746 мм рт.ст.). Отже циклон рухався з ЮЮВ на ССЗ. Близько 17 год, під час проходження смерчу через Москву, місто перебував на северосхідному фланзі циклону. У дні циклон пішов у Фінський затоку, де викликав бурі на Балтиці. Якщо зупинитися лише з цьому синоптическом описі, то причина смерчу виразно не проступает.

Картина кілька проясняється, якщо аналіз розподілу температур і повітряних мас. Теплий фронт породжувався центру циклону на Калугу, Заметчино і Пензу, а холодний фронт — від центру циклону на Курськ, Харків, Дніпропетровськ і далі на півдні. Отже циклон мав яскравий теплий сектор з масами теплого вологого повітря при денних температурах 28−32оС. Перед теплим фронтом розташовувався сухий холодний повітря з температурою 15−16оС. У самій фронтальній зоні температура трохи вища. Контраст температур дуже великий. Розрахунок свідчить, що теплий фронт зміщувався на північ зі швидкістю 32−35 км/год. Освіта московського смерчу сталося перед теплим фронтом, де за участю тропічного повітря завжди створюється загроза виникнення найсильніших гроз і шквалов.

Того дня відзначено сильна грозова діяльність у чотирьох районах Московській області: в Серпуховском, Подільському, Московському і Дмитрівському, на протязі 200 км. Грози з градом і бурею спостерігалися, ще, в Калузької, Тульської і Ярославській областях. Починаючи з Серпуховского району, буря перетворилася на ураган. Ураган посилився в Подільському районі, де постраждало 48 селищ і були жертви. Найбільш ж страшні спустошення приніс смерч, що виник на схід від Москви у районі села Розмови. Ширина грозової області у південній частині Московського району визначена у 15 км; тут буря рухалася з півдня північ, а смерч виник у східної (правої) боці грозової полосы.

Смерч своєму шляху справив величезні руйнації. Були знищені села Рязанцево, Капотня, Чагино; далі ураган налетів на Люблинскую гай, вирвав з коренем і зламав до 7 га лісу, потім зруйнував села Грайвороново, Карачарово і Хохловку, вступив у східну частину Москви, знищив Анненгофскую гай до Лєфортова, посаджену іще за цариці Ганні Иоановне, зірвав даху будинків, у Лефортово, пройшов Сокольники, де повалив вікової ліс, пішов у Лосиноостровскую, де знищив 120 га великого лісу, і розпався у районі Мытищ. Далі смерчу був, й позначена лише сильна буря. Довжина шляху смерчу — близько сорока км, ширина постійно коливалася від 100 до 700 м.

За зовнішнім виглядом вихор був стовп, широкий внизу, поступово сужавшийся як конуса і знову расширявшийся в хмарах; в інших містах іноді приймав вид просто чорного крутящегося стовпа. Чимало очевидців вважали його за піднімається чорний дим від пожежі. У групі тих місцях, де смерч проходив через Москва-ріку, він захоплював стільки води, що оголялося русло.

Серед безлічі повалених дерев і спільного хаосу місцями вдалося знайти деяку послідовність: так, поблизу Люблино лежали три правильно розташовані низки беріз: північний вітер повалив нижній ряд, над ним ліг другий, звалений східним вітром, а верхній ряд упав при південному вітрі. Отже, це — ознака вихрового руху. Під час проходження смерчу з півдня північ захопив цю ділянку правим боком, судячи з зміні вітру, і обертання в нього було циклональное, тобто. проти годинниковий стрілки, якщо поглянути згори. Вертикальна складова вихору була надзвичайно велика. Зірвані даху будинків летіли повітря, як жмути папери. Були навіть зруйновані кам’яні стіни. У Карачарово знесена половина дзвіниці. Вихор супроводжувався страшним гулом; його руйнівна робота тривала від 30 з до 1−2 хв. Тріскіт валившихся дерев заглушався ревінням вихря.

У певних місцях завихренные руху повітря чітко видно по характеру бурелому, але переважно випадків звалені дерева навіть у невеликих просторах лежали куди було можливо. Картина руйнацій московського смерчу виявилося дуже складним. Аналіз його слідів змусив вважати, що 29 червня 1904 р. через Москву промчали кілька смерчів. Принаймні характером руйнацій можна назвати існування двох воронок, одній із яких рухалася у бік Люблино — Рогожская застава — Лефортово — Сокольники — Лосиноостровская-Мытищи, а друга — Розмови — Грайвороново — Карачарово — Измайлово — Черкизово. Ширина шляху обох воронок була ста близько тисячі метрів, але кордону шляхів були чіткими. Будівлі з відривом кілька десятків метрів до кордонів шляху залишалися нетронутыми.

Супроводжували явища також притаманні сильних смерчів. Коли насувалася воронка, ставало цілком темно. Темряві супроводжував страшний шум, ревіння і свист. Зафіксовано електричні явища незвичайній інтенсивності. Через частих розрядів блискавок загинуло два людини, декілька одержали опіки, виникали пожежі. У Сокольниках спостерігалася гарна блискавка. Дощ і град також мали незвичайну інтенсивність. Градини з куряче яйце відзначалися неодноразово. Окремі градини мали форму зірки й важили 400−600 г.

Особливо велика руйнівна сила смерчів у дитсадках, парках і лісах. Ось що писав «Московський листок» (1904,№ 170). У Черкизово «…раптом чорне хмару цілком опустилося на грішну землю і непроникною пеленою закрило митрополичий садок і гай. Усе це супроводжувалося страшним шумом і свистом, ударами грому і безперервним тріском падаючого великого граду. Пролунав оглушливий удар, і терасу впала величезна липа. Падіння був надзвичайно дивно, оскільки він потрапила на терасу з вікна і товстим кінцем вперед. Ураган перекинув її за повітрю на 100 м. Особливо постраждала гай. У три-чотири хвилини вона перетворилася на галявину, всуціль вкриту уламками величезних беріз, місцями з коренем видертих із землі і закинутих на значні відстані. Цегляна огорожа колом гаї зруйнована, причому, деякі цеглини відкинуті кілька сажен».

Список використаної литературы.

1. Сноу Д. Т. Торнадо //У науки, 1984, № 6. С.44−54.

2. Наливкин Д. В. Смерчі. М.:Наука, 1984.

3. Кушин В. В. Смерч. М.: Энергоатомиздат, 1993. 127 с.

4. Железовский Б. Хрестоматія з природознавства. — Саратов: Регион.

Приволж. вид-во «Дитяча книга», 1995. — 352 с.