Реферат: Смерч

Министерствообразования

РоссийскойФедерации

СаратовскийГосударственныйуниверситет

имениН.Г. Чернышевского

Реферат натему:

Смерч

Выполнил студент

2 курса, группы физическойгеографии

географическогофакультета

АникинИлья
Саратов2001

Смерч –одно из жестоких, разрушительныхявлений природы.По мнению В.В.Кушина, смерч- это не ветер, а скрученныйв тонкостеннуютрубу «хобот»дождя, которыйвращаетсявокруг оси соскоростью300-500 км/ч. За счетцентробежныхсил внутритрубы создаетсяразряжение, и давлениепадает до 0,3 атм.Если стенка«хобота» воронкирвется, наткнувшисьна препятствие, то внутрь воронкиврываетсянаружный воздух.Перепад давлений0,5 атм. разгоняетвторичныйвоздушный потокдо скоростей330 м/с (1200 км/ч) и более, т.е. до сверхзвуковыхскоростей.Смерчи образуютсяпри неустойчивомсостоянииатмосферы, когда воздухв верхних слояхочень холодный, а в нижних тёплый.Происходитинтенсивныйвоздухообмен, сопровождаемыйобразованиемвихря огромнойсилы.

Возникают такиевихри в мощныхгрозовых облакахи часто сопровождаютсягрозой, дождём, градом. Очевидно, нельзя сказать, что смерчивозникают вкаждом грозовомоблаке. Какправело, этопроисходитна гране фронтов– в переходнойзоне междутёплой и холоднойвоздушнымимассами. Прогнозироватьсмерчи покане удаётся, ипоэтому ихпоявлениебывает неожиданным.

Смерч живётнедолго, таккак довольноскоро холоднаяи тёплая воздушныемассы перемешиваются, и таким образомподдерживающаяего причинаисчезает. Однакодаже за непродолжительныйпериод своейжизни смерчможет произвестиогромные разрушения.

Физическаяприрода смерчаочень разнообразна.С точки зренияфизика-метеоролога- это скрученныйдождь, неизвестнаяранее формасуществованияосадков. Дляфизика-механика- это необычнаяформа вихря, а именно: двухслойныйвихрь с воздушно-водянымистенками ирезким различиемскоростей иплотностейобоих слоев.Для физика-теплотехникасмерч — этогигантскаягравитационно-тепловаямашина огромноймощности; в неймощные воздушныепотоки создаютсяи поддерживаютсяза счет теплотыфазового переходавода-лед, котораявыделяетсяводой, захваченнойсмерчем излюбого естественноговодоема, когдаона попадаетв верхние слоитропосферы.

До сих порсмерч не спешитраскрыватьи другие своитайны. Так, нетответов намногие вопросы.Что представляетсобой воронкасмерча? Чтопридает еестенкам сильноевращение иогромнуюразрушительнуюсилу? Почемусмерч устойчив?

Исследоватьсмерч не простотрудно, но иопасно — принепосредственномконтакте онуничтожаетне толькоизмерительнуюаппаратуру, но и наблюдателя.

Сопоставляяописания смерчей(торнадо) прошлогои нынешнегостолетий вРоссии и другихстранах, можновидеть, что ониразвиваютсяи живут по одинаковымзаконам, но этизаконы до концане выясненыи поведениесмерча кажетсянепредсказуемым.

Во время прохождениясмерчей естественновсе прячутся, бегут, и людямне до наблюдений, а тем болееизмеренийпараметровсмерчей. Тонемногое овнутреннемстроении воронки, что удалосьузнать, связанос тем, что смерч, отрываясь отземли, проходилнад головамилюдей, и тогдаможно быловидеть, чтосмерч представляетсобой огромныйпустотелыйцилиндр, яркоосвещенныйвнутри блескоммолний. Изнутрираздаетсяоглушительныйрев и жужжание.Считается, чтоскорость ветрав стенках смерчадоходит дозвуковой.

Немногочисленныестатистическиеданные, которыеизвестны осмерчах, сведеныв таблице.

Ориентировочныепараметрысмерчей

Измеряемая величина

Минимальное значение

Максимальное значение

Высота видимой части смерча 10-100 м 1,5-2 км Диаметр у земли 1-10 м 1,5-2 км Диаметр у облака 1 км 1,5-2 км Линейная скорость стенок 20-30 м/с 100-300 м/с Толщина стенок 3 м - Пиковая мощность за 100 с 30 ГВт - Длительность существования 1-10 мин 5 час. Путь 10-100 м 500 км Площадь разрушения

10-100 м2

400 км2

Максимальная масса поднятых предметов - 300 т Скорость перемещения 150 км/ч Давление внутри смерча -

Теориясмерча быларазработанана основаниидостоверногоутверждения, что воронкасмерча всегдаприходит наземлю сверху, а «ослабев», вновь поднимаетсянаверх. Значитвес воронкидолжен бытьбольше весавытесненногоею воздуха, т.е. по законуАрхимеда онабудет «падать».Тяжелее воздухав атмосфереможет бытьтолько воздух, насыщенныйводой и/илильдом. Поэтомуправдоподобнымбудет предположение, что воронкасмерча представляетсобой вращающийсяпоток дождяи града, свернутыйв спираль ввиде относительнотонкой стенки.Содержаниеводы в стенкахворонки должнопо массе вомного разпревосходитьсодержаниетам воздуха.Если плотностьсухого воздухасоставляет1,3-1,4 кг/м3, то плотностьвоздуха, содержащеговоду и лед внутристенок смерча, может составлять50 и более кг/м3.

Если воронкасмерча обладаетмассивнымистенками, тоих вращениедолжно приводитьк расширениюворонки и понижениюдавления воздухавнутри нееиз-за действияцентробежныхсил. Расширениеворонки происходитдо тех пор, покаперепад давленияснаружи и внутрине уравновеситдействия центробежныхсил. Если выделитьиз стенки площадкуS, то снаружи нанее будет действоватьсила pS.Равновесиес центробежнымисилами наступитпри условии:pS=mv2/R, где m- масса, приходящаясяна единицуплощади стенки;v — скорость стенки;R — радиус воронки.

Приведенное, почти очевидное, условие равновесиястенки воронкиприводит к рядупрямых следствий, которые естественнообъясняютмногие свойствасмерчей.

Смерч можетвсосать и поднятьввысь большуюпорцию снега, песка и др. Кактолько скоростьснежинок илипесчинок достигаеткритическогозначения, онибудут выброшенычерез стенкунаружу и могутобразоватьвокруг смерчасвоеобразныйфутляр иличехол. Характернойособенностьюэтого футляра-чехлаявляется то, что расстояниеот него до стенкисмерча по всейвысоте примерноодинаково: оноопределяетсяскоростью, которая у всехчастиц с одинаковойплотностьюоказываетсяодинаковой.Важный частныйслучай, когдаплотность тела, попавшего всмерч, близкак плотностистенки воронки.В этом случаеравновеснаяскорость длятела совпадаетсо скоростьюстенки. Еслитело попадаетна внутреннююповерхностьстенки, то нанего действуетвоздушныйвихрь, вращающийсявнутри воронки, скорость телавозрастаети станет большеравновесной.Тело сместитсяк внешней поверхностистенки. Здесьпод действиемтрения о внешнийвоздух телозатормозится, скорость станетменьше равновесной, и тело вновьсместится квнутреннейповерхностистенки. Поэтомутела с плотностьюстенки оказываютсяустойчивымивнутри стенок.Таким образомвнешний и внутреннийповерхностныеслои оказываютсяв совершеннонеобычныхусловиях, прикоторых на нихнепрерывнодействуют силы, стремящиесяубрать их споверхностии «заглубить»внутрь стенки, т.е. силы, которыепо своим свойствамнапоминаютсилы поверхностногонатяжения. Этисилы придаютстенкам смерчаповышеннуюустойчивостьк возмущениям, делают их однороднымипо плотности, гладкими, четкоограниченными.

Рассмотримв первом приближениипроцессы, возникающиев грозовыхоблаках. Обильнаявлага, попадающаяв облако изнижних слоев, выделяет многотепла, и облакостановитсянеустойчивым.В нем возникаютстремительныевосходящиепотоки теплоговоздуха, которыевыносят массывлаги на высоту12-15 км, и столь жестремительныехолодные нисходящиепотоки, которыеобрушиваютсявниз под тяжестьюобразовавшихсямасс дождя играда, сильноохлажденныхв верхних слояхтропосферы.Мощность этихпотоков особенновелика из-затого, что одновременновозникают двапотока: восходящийи нисходящий.С одной стороны, они не испытываютсопротивленияокружающейсреды, т.к. объемвоздуха, идущеговверх, равенобъему воздуха, уходящего вниз.С другой стороны, затраты энергиипотоком наподъем водывверх полностьювосполняетсяпри паденииее вниз. Поэтомупотоки имеютвозможностьразгонять себядо огромныхскоростей (100м/с и более).

В последниегоды была выявленаеще одна возможностьподъема большихмасс воды вверхние слоитропосферы.Часто пристолкновениивоздушных масспроисходитобразованиевихрей, которыеза свои относительнонебольшиеразмеры получилиназваниемезоциклонов.Мезоциклонзахватываетслой воздухана высоте от1-2 км до 8-10 км, имеетдиаметр 8-10 кми вращаетсявокруг вертикальнойоси со скоростью40-50 м/с. Существованиемезоциклоновустановленодостоверно, структура ихисследованадостаточноподробно. Обнаружено, что в мезоциклонахна оси возникаетмощная тяга, которая выбрасываетвоздух на высотыдо 8-10 км и выше.Наблюдателямибыло обнаружено, что именно вмезоциклонеиногда зарождаетсясмерч.

Наиболееблагоприятнаяобстановкадля зарожденияворонки выполняетсяпри выполнениитрех условий.Во-первых, мезоциклондолжен бытьобразован изхолодных сухихмасс воздуха.В этом случаепо его высотевозникаетособенно большойтемпературныйградиент, близкийк адиабатическомузначению. Во-вторых, мезоциклондолжен выйтив район, где вприземном слоетолщиной 1-2 кмскопилось многовлаги при высокойтемпературевоздуха 25-35оС, т.е. созданосостояниенеустойчивостиприземногослоя, готовогок образованиюячеек с восходящимии нисходящимипотоками. Проходянад этими районами, за короткоевремя мезоциклонзасасываетв себя влагус больших пространстви забрасываетее на высоту10-15 км. Температуравнутри мезоциклонапо всей высотескачком повышаетсяза счет принесенноговлагой тепла, накопленногоне только насыщеннымпаром, но и водянымикаплями. Третьеусловие — этовыбрасываниемасс дождя играда. Выполнениеэтого условияприводит куменьшениюдиаметра потокаот первоначальногозначения 5-10 кмдо 1-2 км и увеличениюскорости от30-40 м/с в верхнейчасти мезоциклонадо 100-120 м/с — в нижнейчасти.

Для того, чтобы иметьпредставлениео последствияхсмерчей, краткодадим описаниемосковскогосмерча 1904 г. иивановского- 1984 г.

Над восточнойчастью Москвы29 июня 1904 г. пронессясильнейшийвихрь. Его путьлежал неподалекуот трех московскихобсерваторий: Университетской- в западнойчасти города, Межевого института- в восточнойи Сельскохозяйственнойакадемии — всеверо-западной, поэтому ценныйматериалзафиксировалисамописцы этихобсерваторий.По карте погодыв 7 ч утра этогодня на востокеи западе Европырасполагалисьобласти повышенногодавления (более765 мм рт.ст.). Междуними, преимущественнона юге Европейскойчасти России, находилсяциклон с центроммежду Новозыбковым(Брянская обл.)и Киевом (751 ммрт.ст.). В 13 ч онуглубился до747 мм рт.ст. и сместилсяк Новозыбкову, а в 21 ч — к Смоленску(давление вцентре упалодо 746 мм рт.ст.).Таким образомциклон двигалсяс ЮЮВ на ССЗ.Около 17 ч, во времяпрохождениясмерча черезМоскву, городнаходился насеверо-восточномфланге циклона.В последующиедни циклон ушелв Финский залив, где вызвал бурина Балтике.Если остановитьсятолько на этомсиноптическомописании, топричина смерчаявственно непроступает.

Картинанесколькопроясняется, если произвестианализ распределениятемператури воздушныхмасс. Теплыйфронт шел отцентра циклонана Калугу, Заметчинои Пензу, а холодныйфронт — от центрациклона наКурск, Харьков, Днепропетровски далее к югу.Таким образомциклон имелхорошо выраженныйтеплый секторс массами теплоговлажного воздухапри дневныхтемпературах28-32оС.Перед теплымфронтом располагалсясухой холодныйвоздух с температурой15-16оС.В самой фронтальнойзоне температуранесколько выше.Контраст температурвесьма большой.Расчет показывает, что теплыйфронт смещалсяк северу соскоростью 32-35км/ч. Образованиемосковскогосмерча произошлоперед теплымфронтом, гдепри участиитропическоговоздуха всегдасоздаетсяугроза возникновениясильнейшихгроз и шквалов.

В тот деньбыла отмеченасильная грозоваядеятельностьв четырех районахМосковскойобласти: вСерпуховском, Подольском, Московскоми Дмитровском, почти на протяжении200 км. Грозы сградом и бурейнаблюдались, кроме того, вКалужской, Тульской иЯрославскойобластях. Начинаяс Серпуховскогорайона, буряпревратиласьв ураган. Ураганусилился вПодольскомрайоне, гдепострадало48 селений и имелисьжертвы. Самыеже страшныеопустошенияпринес смерч, возникший кюго-востокуот Москвы врайоне деревниБеседы. Ширинагрозовой областив южной частиМосковскогорайона определенав 15 км; здесь бурядвигалась сюга на север, а смерч возникв восточной(правой) сторонегрозовой полосы.

Смерч насвоем путипроизвел огромныеразрушения.Были уничтоженыдеревни Рязанцево, Капотня, Чагино; далее ураганналетел наЛюблинскуюрощу, вырвалс корнем и сломалдо 7 га леса, затемразрушил деревниГрайвороново, Карачаровои Хохловку, вступил в восточнуючасть Москвы, уничтожилАнненгофскуюрощу в Лефортово, посаженнуюеще при царицеАнне Иоановне, сорвал крышидомов в Лефортово, прошел в Сокольники, где повалилвековой лес, направилсяв Лосиноостровскую, где уничтожил120 га крупноголеса, и распалсяв районе Мытищ.Далее смерчане было, и отмеченатолько сильнаябуря. Длинапути смерча- около 40 км, ширинавсе время колебаласьот 100 до 700 м.

По внешнемувиду вихрьпредставлялсобой столб, широкий внизу, постепенносужавшийсяв виде конусаи вновь расширявшийсяв облаках; вдругих местахиногда он принималвид просточерного крутящегосястолба. Многиеочевидцы принималиего за поднимающийсячерный дым отпожара. В техместах, гдесмерч проходилчерез Москва-реку, он захватывалстолько воды, что обнажалосьрусло.

Среди массыповаленныхдеревьев иобщего хаосаместами удалосьобнаружитьнекоторуюпоследовательность: так, вблизиЛюблино лежалитри правильнорасположенныеряда берез: северный ветерповалил нижнийряд, над нимлег второй, сваленныйвосточнымветром, а верхнийряд упал приюжном ветре.Следовательно, это признаквихревогодвижения. Припрохождениисмерча с югана север онзахватил этотучасток правойстороной, судяпо смене ветра, и вращение унего былоциклональное, т.е. против часовойстрелки, еслисмотреть сверху.Вертикальнаясоставляющаявихря быланеобычайновелика. Сорванныекрыши зданийлетели в воздухе, как клочьябумаги. Былидаже разрушеныкаменные стены.В Карачаровоснесена половинаколокольни.Вихрь сопровождалсястрашным гулом; его разрушительнаяработа продолжаласьот 30 с до 1-2 мин.Треск валившихсядеревьев заглушалсяревом вихря.

В некоторыхместах завихренныедвижения воздухаотчетливо видныпо характерубурелома, нов большинствеслучаев сваленныедеревья дажена небольшихпространствахлежали вовсевозможныхнаправлениях.Картина разрушениймосковскогосмерча оказаласьочень сложной.Анализ егоследов заставилсчитать, что29 июня 1904 г. черезМоскву промчалисьнесколькосмерчей. Вовсяком случаепо характеруразрушенийможно отметитьсуществованиедвух воронок, одна из которыхдвигалась внаправленииЛюблино — Рогожскаязастава — Лефортово- Сокольники- Лосиноостровская-Мытищи, а вторая — Беседы- Грайвороново- Карачарово- Измайлово — Черкизово.Ширина путиобеих воронокбыла от ста дотысячи метров, но границыпутей быличеткими. Строенияна расстояниинесколькихдесятков метровот границ путиоставалисьнетронутыми.

Сопровождавшиеявления такжехарактерныдля сильныхсмерчей. Когданадвигаласьворонка, становилосьсовершеннотемно. Темнотесопутствовалстрашный шум, рев и свист.Зафиксированыэлектрическиеявления необыкновеннойинтенсивности.Из-за частыхразрядов молнийпогибло двачеловека, несколькополучили ожоги, возникалипожары. В Сокольникахнаблюдаласьшаровая молния.Дождь и градтакже имелинеобыкновеннуюинтенсивность.Градины с куриноеяйцо отмечалисьнеоднократно.Отдельныеградины имелиформу звездыи весили 400-600 г.

Особенновелика разрушительнаясила смерчейв садах, паркахи лесах. Вотчто писал “Московскийлисток” (1904,№170).У Черкизово“… вдруг черноеоблако совершенноопустилосьна землю инепроницаемойпеленой закрыломитрополичийсад и рощу. Всеэто сопровождалосьстрашным шумоми свистом, ударамигрома и беспрерывнымтреском падающегокрупного града.Раздалсяоглушительныйудар, и на террасуупала громаднаялипа. Падениеее было чрезвычайностранно, таккак она попалана террасучерез окно итолстым концомвперед. Ураганперебросилее по воздухуна 100 м. Особеннопострадалароща. В три-четыреминуты онапревратиласьв поляну, сплошьпокрытую обломкамиогромных берез, местами с корнемвырванных изземли и переброшенныхна значительныерасстояния.Кирпичнаяограда кругомрощи разрушена, причем некоторыекирпичи отброшенына несколькосажен”.

Списокиспользованнойлитературы

Сноу Д.Т. Торнадо //В мире науки, 1984, №6. С.44-54.

Наливкин Д.В. Смерчи. М.: Наука, 1984.

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

Железовский Б. Хрестоматия по природоведению. – Саратов: Регион. Приволж. изд-во «Детская книга», 1995. – 352 с.