Жива сила смерчів - шляхи мага
Смерч! У глиб століть ведуть нас перекази і легенди, пов'язані з цим страшним явищем природи. Смерч міцно увійшов в фольклор і ліг в основу багатьох народних казок. Вогнедишний дракон, знаменитий Змій Горинич, живе зазвичай в неприступному замку, в якому тужать полонені їм красуні, - це він, його вигляд. І де б дракон не з'являвся, всюди він сіяв смерть і руйнування, приносив людям страждання і горе.
І справді, форма смерчу звичайно настільки рухлива і різко окреслена, а його поведінка, здавалося б, настільки продумано і підступно, що навіть нашому сучасникові, позбавленому будь-яких забобонів, він часто здається живим, тілесним істотою. Судіть самі. У грозовому хмарі раптом з'являється «очей», саме «очей», з мертвим, неживим зіницею. Відчуття таке, що він виглядає здобич. Помітив! У той же момент, полихнув вогнем, він з ревом і швидкістю кур'єрського потяга спрямовується до землі, залишаючи за собою довгий, добре видимий шлейф-хвіст. Схопив видобуток, і ... тільки його й бачили, забрався геть, сховався в хмарі. Ну хіба не нагадує Змія Горинича? І, на жаль, не тільки зовнішнім виглядом ...
Могутня сила природи
Руйнівна сила смерчів колосальна.
Найбільш часто смерчі зустрічаються в США, де їх називають тромб або торнадо. Тому і велика частина свідчень з цієї країни.
Дуже наочно продемонстрував свої можливості смерч «Ірвінг», який отримав назву від зруйнованого їм містечка.
30 травня 1879 року в 4 годині дня на півночі Канзасу зустрілися дві хмари, чорних і незвичайно щільних. Через п'ятнадцять хвилин після того, як вони зіткнулися і злилися в одну хмару, з її нижньої поверхні зросла воронка. Швидко подовжуючись, вона прийняла форму величезного хобота, досягла землі і протягом 3 годин, немов велетенський змій, колобродити по штату, громлячи і знищуючи все, що траплялося на шляху, - школи, будинки, ферми.
Але найдивніше сталося спочатку. Воронка смерчу перетнула річку, вперлася в крутий обрив і, очевидно, не зумівши подолати його, повернула на захід, де якраз поперек її руху стояв новий залізобетонний 75-метровий міст. Оіа зірвала його з кам'яних биків, зв'язала в кілька хитромудрих вузлів і скинула в воду. Фахівці вважають, що руйнування ірвінгского моста - найбільш яскравий прояв мощі цього смерчу і свідчить про те, що швидкість повітряних струменів в стінах воронки в цей момент перевищувала надзвукову.
Фокуси, які проробляють смерчі при таких швидкостях, вражаючі і часом призводять очевидців в замішання. Так, в місті Сент-Луїсі під час торнадо 1896 року соснова палиця легко пробила сталевий лист товщиною близько сантиметра. Через 23 роки в Міннесоті прискорений смерчем тонкий стебло рослини проткнув наскрізь товсту дошку, а лист конюшини, точно штамп, глибоко вдавився в штукатурку.
Загалом, якщо торнадо проходить через населені пункти, повітря наповнюється уламками, і вони мчать з такою швидкістю, що вбивають людей і тварин, протикають дерева і телеграфні стовпи. Дренаж, немов кулі, пробивають шибки, не залишаючи в них навіть тріщин.
Солідний кам'яний паркан, що стояв навпроти мене, обрушився: вся вулиця була завалена уламками, деревами, дошками, цеглою, залізними листами. Я вийшов з-під воріт і ахнув: величезна, масивна, товста металева фабрична труба була зігнута і вершиною лягла на бруківку ».
Під час того ж московського смерчу на німецькому ринку в повітря підняло городового і відкинуло далеко в сторону. Другий городовий зробив по повітрю більш тривалу подорож - пролетів близько ста метрів і впав в чийсь сад. На своє щастя, він відбувся легкими ударами. Але найзагадковіший випадок стався в Митищах з сином селянки Селезньової. Налетів смерч скинув її, старшого сина і немовляти в канаву, а середній, шестирічний Петя, полетів. Його знайшли лише на наступний день в Сокольниках. Хлопчик був на смерть переляканий, але живий і здоровий. Як не дивно, його перенесло не вперед, по руху смерчу, а в абсолютно протилежному напрямку, де вже давно стало тихо.
А знамениті «дощі» з риб, жаб, черв'яків, жаб? Хмара переносить цих тварюк на досить великі - іноді сотні кілометрів - відстані. Це точно відомо, а ось як вони переносяться - ніхто не знає. Примітно, що риб'ячі і інші «дощі» знайшли своє відображення в літературі куди раніше, ніж урагани, бурі і смерчі. Мабуть, для стародавніх вони були видовищем більш приголомшливим, ніж стихійні лиха.
Жаб'ячий дощ вперше описав грецький історик Атенеус за 200 років до н. е. «Жаб випало так багато, що, коли жителі побачили, що у всьому, що вони варять і смажать, і в воді для пиття є жаби, що не можна поставити ногу на землю, не роздавав жабу, вони бігли».
Згодом з'ясувалося, що воронка смерчу висмоктала монети з горщика, закопаного в землю, підняла їх в повітря на 500-600 м і вельми компактною масою (явище не менш вражаюче і загадкове, ніж транспортування важких предметів на великі відстані) віднесла на кілька кілометрів в сторону .
Як не часто спостерігалися смерчі, поведінка їх не стало зрозумілішим. Чому, наприклад, смерч то змітає все підряд, то залишає в недоторканності предмети, що знаходяться, здавалося б, в самому його епіцентрі? Чому він може віднести майже за кілометр кінь, але ще ніхто не бачив ширяють у його воронці дерев? Їх тільки ламає і відкидає в бік. Фермери Північної Америки вже не дивуються, якщо після смерчу по вулицях бігають общипані півні і кури. Так добре, якщо цілком, а як пояснити, коли вони ощіпанним тільки з одного боку.
Здавалося б, головне його «зброя» - шалено обертається повітря.
Факти і гіпотези про смерчі
Смерч не назвеш унікальним явищем природи. Постраждалих від його жорстокої сили так багато, виявляв він свої загадкові властивості так часто, що свідчень про поведінку торнадо накопичилося цілком достатньо. Залишається лише систематизувати ці спостереження в більш-менш стрункі опису.
Як же він влаштований? Порожнина воронки оточують стінки з обертового по спіралі повітря (рис. 1). Це найнебезпечніша частина смерчу: швидкість повітря тут досягає 200-300 м / с. Стінки воронки, особливо зовнішня їх частина, працюють при цьому як своєрідний насос - предмети, що лежать на землі або на малій глибині від поверхні, всмоктуються і піднімаються аж до хмари. Вони можуть переноситися на десятки кілометрів і потім випадати у вигляді монетних, риб'ячих і тому подібних «дощів». У внутрішній порожнині смерчу рух повітря сильно ослаблене, інколи повністю відсутня і навіть направлено зверху вниз. Були випадки, коли цей потік ставав настільки інтенсивним, що викликав «ефект прідавліванія», предмети опинялися втиснутими в землю, як ніби по ним прокотився дорожній каток. Інша особливість порожнини смерчу - висока електрична активність. Очевидці описують безперервний блиск блискавок, зигзагом перескакує від стінки до стінки, відзначають запахи озону і двоокису азоту, зазвичай супроводжують електричні розряди в повітрі.
Але найбільш характерною рисою, що відрізняє смерч від інших вихрових рухів атмосфери, служить його нерозривний зв'язок з материнським грозовою хмарою. Навіть виникнення їх при великих пожежах (лісових, нафтових), виверженнях вулканів пов'язане з попереднім формуванням хмари над гігантськими вогненними вогнищами.
Що ж змушує концентрувати енергію руху повітря в таких малих обсягах? При чому тут грозову хмару? Протягом декількох годин смерч сіє руйнування і смерть, нітрохи не стримуючи свій люта вдача. Де джерело цієї невичерпної енергії? Який механізм перетворення енергії цього джерела в кінетичну енергію повітря? Ось таємничі і незбагненні питання, що хвилюють учених не менше, ніж загадкові випадки, що сталися під час зустрічі людини з смерчем. Для їх вирішення було висунуто чимало гіпотез, часто наївних, але крок за кроком пояснюють цю загадку природи.
Гіпотеза перша передбачає, що смерч викликається різницею температур у поверхні землі і в атмосфері. Але американський вчений Воннегут підрахував: щоб повітря рухався в стінки воронки з звуковою швидкістю, необхідний перепад температур порядку декількох сотень градусів. І хоча в природних умовах іноді виникають такі перепади (при виверженні вулканів, великих пожежах), для переважної більшості смерчів вони нереальні.
Прийнятне пояснення запропонували Брант і Абдуллах (рис. 2): в товщі атмосфери утворюється обертальний рух великих мас повітря (А). Цей круговий потік, звужуючись, опускається до землі. Так як радіус обертання зменшується, швидкість руху повітря збільшується і досягає біля поверхні спостерігаються в смерчі величин (Б). Щоб пояснити обов'язкова наявність грозової хмари, А. Михайлов припустив, що смерчі породжуються горизонтальними спіральними вихорами в хмарах (В). З його доповненням гіпотеза могла б стати теорією, якби не одна обставина. Розрахунки показують, що при такому обертанні повинен виникнути вторинний спадний по осі потік повітря. Це добре пояснює той факт, що в момент зіткнення із землею від удару спадного потоку будови, наприклад, розлітаються на друзки. Але і в зрілої стадії ми мали б тільки викид предметів, а не всмоктування, як відбувається насправді.
Друга гіпотеза. висунута радянськими вченими Л. Гутманом і В. Мальбахова, позбавлена цього недоліку. У ній використовується поняття енергії нестійкості атмосфери. Нехай якась частина повітря за рахунок місцевих збурень перескочила від землі в більш високий шар. А так як при таких процесах зазвичай не відбувається обміну теплом, то нехай його температура знижується по іншій лінії (червоної на рис. 3А) Зрозуміло, що на всіх висотах цей обсяг повітря буде тепліше навколишнього і на нього буде діяти виштовхує сила. Він буде стрімко підніматися, захоплюючи за собою нові маси теплого повітря. Такий стан атмосфери називається нестійким, а потенційна енергія нижніх шарів повітря енергією нестійкості.
За цією гіпотезою смерч можливий лише при досить швидкому падінні температури з висотою, якщо ж цього немає (Б), то температура підняти повітря, тільки за рахунок адіабатичного розширення, стане нижче навколишнього, і він спуститься назад на землю. Отже, за рахунок енергії нестійкості смерчі можливі (обертальний рух може виникнути випадково). Але ось біда - за цією гіпотезою хмари стають ні до чого, а смерч повинен починатися всупереч спостереженнями від землі.
Гіпотеза третя - електрична. Видатний французький вчений Пельтьє ще в 1840 році писав: «Все доводить, що смерч є не що інше, як провідник, який служить каналом для безперервного розряду електрики». У той же час (1837 г.) американський вчений Хейр говорив: «Після ретельного розгляду всіх фактів я прийшов до припущення, що смерч є результатом струму, викликаного електризацією повітря і замінює більш звичні засоби розряду між землею і хмарами у вигляді яскравих спалахів, які ми називаємо блискавками ».
З того часу ці висловлювання грунтовно забули і згадали лише в 50-х роках нашого століття: накопичився великий фактичний матеріал, з якого можна зробити принаймні один достовірний висновок - смерч супроводжується високим рівнем електричної активності. Але щоб використовувати електричну гіпотезу для пояснення існування смерчу, необхідно спочатку переконатися, що в грозовому хмарі є достатня кількість електричної енергії. За підрахунками Воннегута, щоб розкрутити стовп повітря діаметром 100 м до швидкості 250 м / с, необхідно затратити близько 1018 ерг. Енергія ж одного розряду блискавки дорівнює 1 022 ерг, так що його вистачило б для підтримки смерчу протягом декількох годин.
З механізмів перетворення електричної енергії в кінетичну енергію повітря найбільш інтенсивно обговорюються в даний час два: перший - повітря нагрівається електрикою до температури, здатної викликати інтенсивну конвекцію, і другий (запропонований ще Хейр) - розріджене повітря прискорюється в сильному електричному полі. Неважко бачити, що перший з них пов'язаний з тепловими гіпотезами - відмінність лише в джерелах тепла.
Принципово іншим є механізм прискорення заряджених частинок в електричному полі. Розрахунки показують, що електричне поле близько 105 В / м викликає рух заряджених водяних крапель зі швидкістю, якої можна досягти при конвекції під дією різниці температур в 20 ° С. Це обнадійливий результат, але подальший розвиток цієї гіпотези залежить від більш детальних вимірів електричних параметрів смерчу.
Щоб зрозуміти її суть, згадаємо добре відомий з фізики факт: два провідника, по яких проходять струми в одному напрямку, притягуються один до одного. Якщо ці провідники розташовані під кутом один до одного (рис. 4), то сила тяжіння зростає в міру зближення елементів провідника. Ось ця сила і втягує повітря в конус смерчу, якщо припустити, що по його периферії хмари розряджаються на землю. При цьому сила струму буде зовсім не фантастичною. Так, для швидкості висхідного потоку 100 м / с в перерізі смерчу на висоті 10 м необхідна сила струму, дорівнює 1000 А. Це не так страшно, якщо підрахувати її щільність - всього лише 1 міліампер на квадратний сантиметр. Згідно з тими ж розрахунками, на вдвічі меншій висоті від поверхні землі швидкість вдвічі зростає. Такий розподіл швидкості цілком узгоджується зі спостереженнями за підйомом важких предметів (згадаємо, що останні не можуть «здолати» висоту близько 10-15 м). Можливо, саме електромагнітні сили були причиною подорожі будильника під час смерчу в Ростові.
Повну картину руху повітря в смерчі можна отримати лише з урахуванням його обертання. Обертання завжди викликає спадний, а електромагнітні сили висхідний потоки. Якщо вони рівні, то в порожнині смерчу буде спостерігатися майже повний спокій. Якщо вклад відцентрових сил обертання істотно більше електромагнітного вкладу, то в порожнині смерчу виникає «ефект прідавліванія». При дуже сильній електричної активності буде спостерігатися лише підйом предметів в зоні проходження смерчу.
Спробуємо узагальнити всі чотири гіпотези. Рух смерчу від хмари до землі цілком можна пояснити електростатичним притяганням зарядів, що концентруються у вершини бурульки, до зарядів протилежного знака на поверхні землі. Під час цього руху повітря буде викидатися з конуса. При зіткненні з землею починається розряд електрики хмари, виникає електричний струм і повітря почне всмоктуватися в смерч. Розрахунки показали, що висхідний потік буде підтримувати обертальний рух, так що електрична енергія частково йде і на підтримку обертання в смерчі.
На наш погляд, узагальнена гіпотеза могла б досить повно описати комплекс явищ, які супроводжують смерч, якби були переконливі докази того, що провідність повітря в смерчі може забезпечити щільність струму порядку 10-3А / см2 і вище. На жаль, таких доказів поки немає.
