Тропические циклоны как грозные явления Земли

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тропические циклоны - грозное явление природы

Население было предупреждено о приближении тайфуна. Принимались все возможные меры предосторожности. И тем не менее погибли 5 тысяч человек, остались без крова полтора миллиона. Тайфун уничтожил либо выбросил на берег более 400 судов, в том числе 12 океанских судов большого тоннажа.

В июне 1962 года тропический циклон опустошил побережье Бенгальского залива в районе от Дакки до Читтагонга. Он унес 22 тыс. человеческих жизней.

13 ноября 1970 года мощный тайфун обрушился на побережье Пакистана. Поднятая тайфуном волна высотой до 8 м прошла над густонаселенными островами и ударила по прибрежной полосе материка. По официальным данным погибло более 300 тыс. человек.

Разрушительные тропические циклоны регулярно посещают определенные районы. Их исключительно высокую способность к разрушению обусловливают три одновременно действующих фактора, три оружия тайфуна. Первое оружие - ураганный ветер, который может достигать скорости 400-500 км/ч (100-140 м/с). При такой скорости воздух воспринимается как твердая материя, способная наносить удары подобно снаряду. Как писал исследователь тайфунов Пьер Андре Молэн, «такие ветры вызывают пугающее ощущение, что рушатся все нормальные отношения между живым существом и окружающим его миром. Человек чувствует. что его предали - так же, как в те минуты, когда земля сотрясается у неге под ногами. При тайфуне воздух, извечный источник жизни, ее постоянная поддержка и пища, внезапно становится врагом. Мирная кормилица превращается в безумную фурию... И действительно, пушечный выстрел -это, пожалуй, единственное подходящее сравнение для такого ветра».

Второе оружие тайфуна - мощные дожди, продолжительные ливни. Очевидцы отмечают, что в условиях привычного для нас климата трудно представить себе дожди, сопровождающие тайфуны и ураганы. Они сравнивают их с небом, которое низвергается на землю. Во время урагана 1906 года на Ямайке за четверо суток выпало 2,43 м воды. Ливни, сопровождающие тайфуны, вызывают грандиозные наводнения, порождают мощные водные потоки, которые сносят мосты и дома, приводят к появлению гигантских оползней.

Третье оружие тайфуна - штормовые приливы. В центре тайфуна возникают морские волны высотой до 20 м. Приближаясь к берегу, подобные волны буквально сокрушают все, что окажется на их пути. Попадая в долину реки, такая волна становится подобной ядру внутри орудийного жерла, она ведет себя как дальнобойный снаряд.

Как видишь, тропический циклон весьма существенно отличается от обычного циклона. При обычном циклоне портится погода, идут дожди, усиливается ветер - только и всего. Тогда как тропический циклон чреват огромными разрушениями, сопровождается многочисленными человеческими жертвами. А между тем физическая природа обоих циклонов - обычного и тропического - аналогична. Различие состоит лишь в том, что атмосферное давление в центре тропического циклона на 40-50 мм рт. ст. ниже, чем в центре обычного циклона. Снижение давления всего на несколько десятков миллиметров ртутного столба (менее, чем на одну десятую атмосферы) существенно изменяет картину циклонического вихря.

Правда, со стороны это изменение не очень-то заметно. На с. 195 показано, как выглядят с орбиты Земли обычный и тропический циклоны. Они похожи друг на друга. Тропический циклон имеет меньший диаметр и более четкие очертания. И кроме того, в центре его есть четкое темное пятно - так называемый глаз тайфуна. Обычно он имеет диаметр 15-25 км, но в отдельных случаях его диаметр может достигать 200-300 км. Внутри «глаза» царит затишье, там малооблачное небо и чарующий покой. У обычного циклона такого «глаза» вообще нет. Если не считать «глаза», то можно говорить о значительном внешнем сходстве обычного и тропического циклонов. Однако есть большое различие в скорости ветра. У обычного циклона она не превышает 50-70 км/ч. А у тропического циклона может достигать, как уже отмечалось, 400-500 км/ч. Отсюда и особенности поведения тайфунов и ураганов.

Физика тропического циклона

Рассмотрим физику процессов, происходящих в тропическом циклоне. На рисунках «а»-«г» на с. 197 поясняется, как возникает вихревое движение воздушных масс в области циклона. Внимательно рассмотри эти рисунки. Предварительно заметим, что тропические циклоны зарождаются в низких широтах в результате взаимодействия дующих там постоянных ветров (пассатов) с мощными конвективными восходящими потоками воздуха, которые возникают над сильно нагретой поверхностью океана. Предположим, что где-то на некоторой параллели к северу от экватора (параллель 1 на рисунке «а») сильно нагретый воздух устремляется вверх, вследствие чего атмосферное давление внутри данной области резко падает - образуется зона существенно пониженного давления, иными словами. зона депрессии (она показана на рисунке штриховой окружностью). Тут же возникают силы, стремящиеся направить окружающие воздушные массы в зону депрессии. На рисунке «а» заштрихованы две массы воздуха (севернее и южнее зоны депрессии); первая - на параллели 2, вторая на параллели 3. И вот обе массы устремляются к зоне депрессии. Они бы вскоре встретились там, если бы земной шар не вращался вокруг своей оси. Но он вращается; при этом окружная скорость на параллели 1 оказывается больше, чем на параллели 2, но меньше, чем на параллели 3. Двигаясь вдоль своей параллели, зона депрессии за некоторое время смещается к востоку на расстояние Ь (смотри рис. «б»). За это время стремящаяся к зоне депрессии северная воздушная масса не успевает сместиться к востоку на расстояние Ь и поэтому начинает поворачивать направо. А южная воздушная масса, напротив, опережает в своем смещении к востоку зону депрессии и поэтому начинает поворачивать налево. Как показано стрелками на рисунке «б», обе стремящиеся попасть в зону депрессии массы воздуха движутся теперь по касательным к границе этой зоны.

Таким образом, вследствие различия окружных скоростей на параллелях 1, 2 ж 3 обе рассматриваемые нами массы воздуха, устремившиеся к зоне депрессии, промахнулись. По-прежнему стремясь заполнить зону депрессии, они вынуждены теперь двигаться вокруг (!) этой зоны, причем, как легко видеть, в направлении против часовой стрелки - см. рис. «в» и «г».

Обрати внимание: образовавшееся вихревое движение воздуха вокруг центра зоны депрессии есть не что иное, как движение окружающих масс под действием сил, направленных к центру зоны. Можно сказать, что воздушные массы, совершая вихревое движение, все время «падают» в зону депрессии - и все время промахиваются мимо нее. Подобно тому, как, например, Луна все время падает на Землю - и все время промахивается, а потому вынуждена двигаться вокруг Земли по круговой орбите. Мы с тобой подробно обсуждали это в книге «Микромир и Вселенная» в параграфе с выразительным названием: «Полет, который на самом деле есть падение, или Можно ли бесконечно падать?»

Если бы скорость движения Луны по каким-то причинам стала уменьшаться, то Луна стала бы двигаться по скручивающейся спирали и в конце концов в самом деле упала бы на Землю. Точно так же, если бы скорость ветров, устремляющихся к зоне депрессии циклона, уменьшилась бы, то вихревые воздушные массы, двигаясь по скручивающейся спирали, заполнили бы зону депрессии. Именно это и происходит в случае обычных циклонов - когда скорость ветров не слишком велика.

Но в случае тропического циклона огромные скорости воздушных масс, стремящихся заполнить зону депрессии, вынуждают их не скручиваться по спирали к центру зоны, а циркулировать вокруг него по окружности. Огромные массы воздуха, измеряемые миллиардами тонн, кружатся вокруг центра циклона, оставляя в покое небольшую область в центре -тот самый «глаз тайфуна».

В целом картина тропического циклона представлена на рисунке «д». На этом рисунке область, заполненная циклоническими вихрями, упрощенно изображена в виде кругового цилиндра высотой Н и диаметром О, из которого «вырезан» цилиндр диаметром й (область «глаза тайфуна»). Сразу отметим, что пропорции на рисунке заведомо нарушены. Как ты уже знаешь, Н = 10-20 км, В = 800-1000 км, й = 15-25 км. Нарушение пропорций продиктовано желанием выделить на рисунке физику происходящих процессов.

Посмотри на рисунок «д» внимательно. Вблизи земной поверхности воздушные массы движутся по скручивающейся спирали. Затем спираль перестает скручиваться и начинает подниматься вверх. В результате воздушный вихрь заполняет весь объем между цилиндрическими поверхностями с диаметрами Б и й по всей высоте Н тайфуна. В верхней части этого объема вихри начинают раскручиваться - там воздушные массы расходятся в разные стороны, формируя спиральные перистые облака. Можно сказать, что, достигнув верхней границы тропосферы, тропический циклон превращается в тропический антициклон.

Задание. Познакомься с общепринятым символическим изображением тайфуна для Северного полушария. А как, по-твоему, изображается тайфун в Южном полушарии? Может быть, ты придумаешь свой собственный символ тайфуна?

Человек внутри «глаза тайфуна»

тайфун циклон туча атмосфера

Область безмятежного спокойствия в центре тропического циклона Молэн назвал «странным парадоксом». В своей книге «Охотники за тайфунами» он дает весьма впечатляющее описание внутренней области «глаза тайфуна».

Молэн дал это описание после того, как пролетел 17 августа 1962 года на борту американской летающей сверхкрепости «Метеобоинг-50» через тайфун Руфь и воочию наблюдал «глаз тайфуна», находясь внутри него на высоте трех километров. Вот некоторые выдержки из этого описания.

«...По мере того как мы приближаемся к глазу, сила сотрясений непрерывно возрастает. Самолет вибрирует. От внезапных рывков вам кажется, что у вас срываются с места сердце и желудок и что кровь хлещет по всем внутренним органам. В этой утомительной борьбе после каждого толчка радуешься тому, что самолет не развалился...

Внезапно гул наших четырех моторов возникает из благопристойной тишины. Плексигласовые окна светлеют, как в самый яркий солнечный день. Этот свет выглядит невероятным после мира, из которого солнце, казалось, было изгнано навсегда... Нашим глазам предстает самое величественное, самое волнующее явление, какое только создавала когда-либо природа. Все, кто побывал в глазе тайфуна, возвращаются оттуда с чувством восхищения и ужаса, для описания которого не хватает слов...

Мы летим на высоте 3000 м в колодце диаметром 22 км, в котором плавают несколько перистых облаков, мирных, как игрушки. Стены этого колодца составляет буря - удерживаемые таинственным приказом, загадочной границей кипящие облака, охваченные жесточайшими конвульсиями. Когда самолет кренится на виражах, наши глаза поднимаются к вершине стены, к выходу из этого колодца в пятнадцати тысячах метров над нами. И перед нашими взорами развертываются эти кипящие пятнадцатикилометровые стены, эта гигантская бездна, это круглое отверстие, которое и заставило назвать все явление глазом тайфуна.

Над этим кратером видно голубое небо, напоминающее о радости и отдыхе, и животворное солнце, бросающее свои лучи почти вертикально в пропасть. Сияющие в своем безмолвном бушевании, каскады бури вокруг нас удерживаются от падения чудовищным неизмеримым усилием, стенки колодца трепещут под лучами солнца...»

С точки зрения физика никакого парадокса в явлении, называемом «глазом тайфуна», конечно, нет. Поскольку это явление аналогично кружению Луны вокруг Земли или Земли вокруг Солнца. Там совершают свое бесконечное падение под действием силы тяжести те или иные космические тела. А здесь совершают падение в зону депрессии огромные массы воздуха. Разумеется, бесконечным такое падение не назовешь -ведь оно происходит отнюдь не в безвоздушном пространстве, а потому сопровождается интенсивным расходованием энергии. Однако в течение нескольких суток это своеобразное падение все же продолжается.

Конечно, есть своя специфика в падении, выражающемся в движении воздушных масс вокруг «глаза тайфуна». Эту специфику хорошо выразил Молэн. Он писал: «Массы воздуха, устремляющиеся к зоне пониженного давления, проходят мимо, мешая проникнуть в ее пределы внешним массам воздуха (курсив наш - Авт.) и создавая обширную зону мощного вращательного движения, на которое тратится основная часть энергии. Массы воздуха движутся по касательной к подлежащему заполнению провалу, так что они уже не столько заполняют его, сколько мешают сделать это той единственной составляющей всех сил, которая направлена к центру области с пониженным давлением... Центробежные силы, воздействующие на движущиеся массы воздуха, мешают заполнению этой области; каждая частица, как камень в праще, стремится прочь, и в итоге эти центробежные силы, отсасывая воздух, еще более понижают давление».

О перемещениях тайфунов и об их энергии

Весь заполненный воздушными вихрями и облаками «цилиндр», именуемый тайфуном или ураганом, перемещается над земной поверхностью со сравнительно невысокой скоростью, равной 15-20 км/ч. Это на порядок ниже скорости ветров, кружащихся внутри тайфуна. Обычно тропические циклоны зарождаются в полосе от 5 до 25° с.ш. либо в полосе от 5 до 25° ю.ш. Известно, что тропические циклоны обнаруживают четкую тенденцию перемещаться от низких широт к более высоким и никогда не пересекают экватора. А в остальном их пути неисповедимы. Ты можешь убедиться в этом, познакомившись с траекториями тайфунов в западной части Тихого океана за сезон 1962 года. На рисунке рядом с траекториями тайфунов указаны их имена. Отдельного внимания заслуживает вопрос об энергии тайфуна. Только представь себе: вот кружится масса воздуха объемом порядка 10 млн. км. Один кубический километр воздуха имеет массу порядка 1 млн. т.

Значит, в тропическом циклоне кружится вихрь общей массой порядка 10 млрд. т. И кружится со скоростью в среднем 100 км/ч. Вот и представь себе массу в несколько миллиардов тонн, несущуюся со скоростью 100 км/ч. Какая энергия была нужна для того, чтобы так разогнать такую массу! Какая энергия сосредоточена в ней и будет рано или поздно высвобождена! Ученые подсчитали, что тайфун средней мощности высвобождает каждую секунду энергию, равную энергии, высвободившейся при взрыве нескольких атомных бомб типа тех, которые были сброшены на Хиросиму. И это за секунду! А ведь тайфун может продолжаться несколько суток. «Можно только радоваться, - замечает Молэн, - что в своей ярости тайфун бушует над широкими и пустынными просторами величайшего в мире океана, лишь изредка обрушивается на сушу, и что эта мощь рассеивается на многие километры в высоту, а не концентрируется на малых участках земной поверхности».

Представляется, что нам всем есть еще больший повод порадоваться. Если бы Земля не вращалась и циклонические воздушные массы не кружились бы в течение нескольких суток, а в течение минут высвобождали бы всю накопившуюся вблизи экватора энергию, то что же тогда происходило бы время от времени с нашей планетой? Так что надо, пожалуй, поблагодарить тайфуны и ураганы за то, что они позволяют постепенно «выпускать пар» и тем самым уберегают планету от грандиозных катаклизмов. Надо согласиться с Молэном, который называет тайфун «предохранительным клапаном», «грубым и примитивным средством природы, предназначенным для того, чтобы сбрасывать давящий груз жары».

Рождение и смерть тучи глазами ученого

Грозовая туча образуется в жаркий день - когда воздух у поверхности земли сильно прогрет и хорошо насыщен водяными парами. Происходит мощная конвекция: потоки нагретого влажного воздуха устремляются вверх. Подъем воздушных масс еще больше усилится, если ветер пригонит холодный воздух. Стелющиеся по земле массы холодного воздуха проникают под нагретую воздушную массу и приподнимают ее верх. Недаром именно на холодных фронтах часто образуются кучево-дождевые облака, перерастающие в грозовые тучи.

Будем рассматривать изолированную (одиночную) тучу; ее горизонтальная протяженность 5-10 км. Такое рассмотрение годится и тогда, когда образуется гряда грозовых туч. В этом случае тучи можно рассматривать как отдельные грозовые ячейки, которые хотя и примыкают друг к другу своими боками, однако вполне могут считаться взаимно независимыми. Все процессы, происходящие в одной грозовой ячейке, совершаются также в других - разве лишь со сдвигом во времени. Наша одиночная грозовая туча - это, по сути дела, одна из грозовых ячеек.

Три основных этапа «жизни» грозовой тучи (начало развития, полноценное развитие, разрушение) схематически показаны на рис. на с. 205 -смотри позиции 1, 2, 3. Стрелками изображены воздушные потоки, причем длина каждой стрелки примерно соответствует скорости потока. Непрерывной линией выделен объем тучи, в котором имеются только водяные капли. Штриховой линией - объем, в котором наряду с каплями присутствует лед, точечной линией - объем, содержащий только ледяные кристаллики. Разумеется, эти объемы показаны приблизительно.

На этапе начального развития (позиция 1 на рисунке) наблюдаются мощные восходящие потоки воздуха. Содержащиеся в них водяные пары, начиная с некоторой высоты Н, конденсируются. Из рисунка видно, что по мере подъема скорость восходящих воздушных потоков внутри зарождающейся тучи возрастает. Надо также обратить внимание на приток с боков более холодного воздуха, окружающего тучу. Впрочем, все это совершается в вышине, а земной наблюдатель видит лишь постепенно разрастающееся, приобретающее все более темный цвет облако и, кроме того, ощущает горизонтальные потоки ветра. Это приповерхностный воздух устремляется под тучу - в область пониженного давления, которая образовалась благодаря подъему воздушных масс. Если под тучу проникает откуда-нибудь с водоема сравнительно холодный воздух, то будет происходить некоторое охлаждение поднимающихся вверх теплых

Слои воздушного океана

Земную атмосферу можно уподобить слоеному пирогу: она состоит из ряда слоев или, правильнее сказать, из ряда вложенных одна в другую сфер. Разделение атмосферы на слои (на сферы) проводят, учитывая характер изменения температуры атмосферного воздуха с высотой. На с. 146 приведена кривая, наглядно показывающая, как связаны между собой высота атмосферного воздуха и его температура. Выделены четыре слоя атмосферы: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера.

По мере подъема от поверхности Земли температура воздуха сначала убывает. Это известно всем: все знают, что вершины высоких гор круглый год покрыты снегом и льдами. Если тебе приходилось летать на авиалайнерах, то ты, конечно, слышал сообщения бортпроводницы о том, что температура воздуха за бортом самолета 60-70 градусов мороза. Напомню, что современные авиалайнеры летают на высотах 8-10 км.

Не все, однако, знают, что уменьшение температуры воздуха с высотой происходит лишь до определенных высот: примерно до 17 км над экваториальными областями и 10 км над полярными. Эти числа как раз и определяют высоту верхней границы тропосферы. Как видишь, она зависит от географической широты. Температура воздуха на границе тропосферы составляет над экватором примерно -75 °С, а над полюсами около -60 °С.

К тропосфере примыкает следующий слой - стратосфера. В стратосфере температура воздуха при подъеме сначала остается почти постоянной (до высот 25-30 км), а затем начинает возрастать вплоть до высоты 55 км, отвечающей верхней границе стратосферы. При этом температура достигает значений, близких к О °С. Итак, в пределах стратосферы температура воздуха с подъемом не снижается; сначала она почти не изменяется, а потом начинает расти.

В следующем атмосферном слое - мезосфере - температура воздуха снова начинает уменьшаться по мере подъема. Она падает до -100 °С и даже до -130 °С на уровне верхней границы мезосферы, имеющей высоту около 90 км. Еще выше начинается термосфера; здесь температура по мере подъема возрастает. Она достигает примерно 1000 °С на высотах 300-400 км.

Атмосфера Земли напоминает слоеный пирог: слои, где температура атмосферного воздуха понижается, чередуются со слоями, где она повышается. Происхождение такого «слоеного пирога» нетрудно объяснить. Снизу атмосфера подогревается земной поверхностью, а сверху - солнечным излучением; поэтому ее температура должна возрастать как при приближении к земной поверхности, так и при приближении к наружному краю атмосферы. Строго говоря, у атмосферы никакого края нет - по мере удаления от поверхности Земли она плавно переходит в межпланетное пространство. Обычно принимают в качестве условной границы атмосферы высоту 1000 км (поскольку там еще наблюдаются полярные сияния). С учетом подогрева земной атмосферы от Земли и от Солнца кривая, описывающая взаимосвязь высоты и температуры, должна, казалось бы, иметь вид, представленный на нашем рисунке штриховой кривой. Однако в действительности наблюдается не штриховая, а непрерывная кривая. Она указывает на то, что происходит дополнительный нагрев атмосферного воздуха в области стратосферы. Он объясняется поглощением ультрафиолетовой части солнечного излучения в так называемом озоновом слое, приходящемся на интервал высот примерно от 10 до 60 км (с наибольшей концентрацией озона на высотах между 20 и 25 км).

Для образования облаков необходимо, чтобы воздух был влажным (или, во всяком случае, не слишком сухим) и чтобы происходило достаточно существенное понижение температуры воздуха. Наиболее влажен воздух в непосредственной близости от земной поверхности, в тропосфере. К тому же в тропосфере температура воздуха с высотой уменьшается. Поэтому естественно, что почти весь облачный покров Земли сосредоточен в пределах тропосферы. Кстати, именно в пределах тропосферы находится 3/4 всей массы земной атмосферы. Толщина слоя тропосферы всего около десяти километров, но именно здесь происходят все те разнообразные явления, которые в общей сложности именуются погодой.

Размещено на Allbest.ru