АТМОСФЕРА И СВЯЗАННЫЕ С НЕЙ ПРОЦЕССЫ И ЯВЛЕНИЯ

ГЛОБАЛЬНАЯ ЦИРКУЛЯЦИЯ ВОЗДУШНЫХ МАСС И ОСНОВНЫЕ АТМОСФЕРНЫЕ ВИХРИ

Атмосфера — воздушная оболочка, окружающая Землю, — представляет собой смесь газов и взвешенных частиц. В сухом чистом воздухе около 78% объема составляет азот, 21% — кислород, 0,94% — аргон, 0,03% — углекислый газ и около 0,003% — смесь неона, гелия, криптона, ксенона, окислов азота, метана и озона. Кроме того, в отдельных местах в атмосфере иногда присутствуют некоторые летучие органические вещества, промышленный дым, выхлопные газы, окись углерода, сернистый газ, а также взвешенные частицы в виде капель воды, кристаллов льда, пыли и др.

Важной составной частью атмосферы является водяной пар, содержание которого меняется от доли процента до 4% в зависимости от температуры воздуха. Эволюция состава атмосферы отражает те изменения, которые происходили в истории Земли, в ее внешних и внутренних оболочках. На начальной стадии образования Земли ее первичная атмосфера состояла из водорода и гелия, которая затем, в результате дегазации мантии, сменилась на атмосферу, состоящую из углекислого газа, азота и водяного пара. Со временем состав атмосферы менялся. Считается, что резкое увеличение кислорода в атмосфере началось примерно 2 млрд лет тому назад, когда на планете начались процессы фотосинтеза. В последние 200 лет в изменении состава атмосферы значительная роль принадлежит человеку, его производственной деятельности.

Атмосфера разделяется на естественные слои (рис. 3.1), определяемые температурой. В нижнем слое, или тропосфере, температура в средних широтах уменьшается примерно на 1°С на каждые 160 м высоты. Выше, до высот порядка 25—30 км, идет зона почти постоянной температуры порядка 75°С — над тропиками и 60°С — над полюсами, представляющая собой основание стратосферы, а затем температура начинает возрастать, достигая значений близких к 0°С на высоте около 50 км, отвечающей верхней границе стратосферы. В следующем атмосферном слое — мезосфере — температура снова начинает уменьшаться по мере подъем, опускаясь до -100°С на вы-

Строение атмосферы

Рис. 3.1. Строение атмосферы

соте 80 км, на верхней границе мезосферы. Еще выше начинается термосфера, где температура по мере подъема вновь начинает возрастать. На высоте 600 км температура газов достигает 1500°С, их плотность здесь очень мала. В пределах мезосферы и термосферы выделяются ионизированные слои, в которых частицы газов имеют электрический заряд. В этой связи мезосферу и термосферу иногда называют ионосферой. Отмечаемое на графике повышение температуры в области стратосферы вызвано поглощением ультрафиолетовой составляющей солнечного излучения в слое озона (Оз), который занимает интервал высот порядка 20—60 км.

Для понимания процессов, происходящих в атмосфере, важно знать такие характеристики воздуха, как температуру, влажность и давление. Солнечные лучи, проходя через воздух, мало нагревают его, поэтому основное тепло воздух получает от подстилающей поверхности — земной или водной. Каждой температуре воздуха соответствует предельное количество пара, которое может в нем содержаться — чем выше его температура, тем больше в нем пара. Если пара поступает больше, он конденсируется. Атмосферное давление равняется давлению атмосферного воздуха на земную поверхность в данном месте, т.е. равно весу вышележащего столба воздуха. С высотой давление убывает. На уровне моря давление в среднем составляет 760 мм рт. ст., или 1013,25 гПа. Однако давление может изменяться не только при изменении высоты, но и при изменении температуры или влажности воздуха. Причиной перепадов давления в атмосфере является в основном неравномерное распределение солнечной энергии по поверхности Земли и ее нагрев. Уже при разнице давления в 2,5 мм рт. ст. начинается перемещение воздуха, возникают воздушные потоки и ветер.

Из-за вертикальной гравитационной неустойчивости, когда более легкий воздух оказывается ниже тяжелого, возникают конвективные движения (конвекция). Легкий нагретый воздух поднимается вверх, а поток холодного воздуха опускается вниз, образуя воздушный поток. В высоких слоях атмосферы этот воздух растекается и над местом с повышенной температурой возникает область пониженного давления, а там, куда устремляется воздух, образуется зона повышенного давления.

Ветер — перемещение масс воздуха преимущественно в горизонтальном направлении из области высокого атмосферного давления в область с низким давлением. Чем больше градиент давления, тем выше скорость ветра. В районах с высокой температурой образуются восходящие конвективные воздушные потоки и атмосферное давление здесь ниже. И, наоборот, там, где температура ниже, атмосферное давление более высокое и токи воздуха нисходящие. Таким образом, ветер у земной поверхности дует из области высокого давления в область низкого давления, а на высоте — в противоположном направлении. Поднимаясь, воздух попадает в те слои атмосферы, где давление ниже. Он расширяется, вследствие чего охлаждается, возрастает его относительная влажность, поэтому при охлаждении воздух может достигнуть точки насыщения, в результате образуются облака.

Причиной формирования воздушных потоков является неравномерный нагрев участков земной поверхности и возникающие при этом перепады давления. На полюсах Земли, где постоянно холодно, возникают устойчивые области высокого давления, а на экваторе, где практически всегда жарко, — низкого. Восходящий поток воздуха на экваторе, создает здесь область низкого давления, в то время как на полюсах, где наблюдается нисходящий поток — высокого (рис. 3.2).

На картину глобального перемещения воздушных масс накладывается эффект вращения Земли: вступает в действие ускорение Кориолиса. Из-за вращения Земли массы воздуха, растекающиеся в верхних слоях тропосферы от экватора, постепенно отклоняются в Северном полушарии вправо, а в южном — влево. На широтах 30—35° их движение становится параллельным экватору, и дальше им заворачивать некуда, так как подпирает идущий от экватора воздух. В этих местах создаются области высокого давления, отделенные от приполярных максимумов зонами относительного понижения давления.

Таким образом, в глобальном плане, кроме областей высокого давления вблизи полюсов и области низкого давления вблизи экватора, обусловленных температурным режимом Земли, возникают области высокого и низкого давления, связанные с характером движения воздушных масс. Ветры, дующие к экватору в Северном полушарии отклоняются вправо и из северных превращаются в северо-восточные; аналогично в Южном полушарии они становятся юго-восточными. Эти постоянно дующие ветры называют пассатами. Ветры, дующие в сторону средних широт, под действием вращения Земли в конечном счете превращаются в западные.

Для формирования катастрофических атмосферных явлений имеет значение только тот слой воздушной оболочки Земли, который непосредственно прилегает к ее поверхности, т.е. слой, называемый тропосферой. Ураганные ветры, интенсивные ливни и грозы, сильные снегопады и метели, экстремальные температуры и т.п. нередко являются причинами значительных разрушений и человеческих жертв.

Кроме глобального перемещения огромных масс воздуха, в нем происходят многообразные движения меньшего масштаба, связанные с разными причинами: неравномерным распределением на Земле материков и океанов, их сложными очертаниями, наличием рельефа и т.п. Именно с движениями такого масштаба связаны формирование воздушных вихрей разных размеров и энергетических классов, образование дождевых и грозовых облаков, т.е. процессов, отвечающих за состояние атмосферы, а точнее, тропосферы в данный момент в данном месте.

Циркуляция воздушных масс в нижних слоях атмосферы [66]

Рис. 3.2. Циркуляция воздушных масс в нижних слоях атмосферы [66]:

а — направления ветра из зон высокого и низкого давления; б — общая циркуляция атмосферы: В — области высокого давления; Н — области низкого давления

Как уже отмечалось ранее, перепады атмосферного давления в горизонтальном направлении приводят к перемещению воздушных масс из областей с высоким давлением к областям с низким давлением. Обширные, диаметром в несколько сотен, а то и тысяч километров, области пониженного и повышенного давления, называемые, соответственно, циклонами и антициклонами (рис. 3.3), могут создаваться в связи с неравномерностью прогрева поверхности Земли, занятой материками и океанами. Кроме того, на процесс формирования таких областей существенное влияние оказывает влажность воздуха (воздух над океанами, как правило, содержит больше влаги, чем над материками).

Схема движения воздуха

Рис. 3.3. Схема движения воздуха:

1 — в циклоне; 2 — в антициклоне [72]

В циклонах ветры направлены к центру, но под действием ускорения Кориолиса, связанного с вращением Земли, они отклоняются в Северном полушарии по направлению против часовой стрелки, в южном — по часовой (рис. 3.4).

Таким образом, при наличии центров низкого и высокого давлений с окружающими их замкнутыми изобарами вокруг этих центров образуются круговые (вихревые) потоки воздуха. Они представлены вихрями различных размеров. В вихре, вращающемся вокруг центра низкого давления, воздух смещается к центру, при этом скорость ветра увеличивается. В верхней тропосфере возникают горизонтальные ветры, направленные по спирали от центра циклона. Они выносят к его периферии воздушные массы, захваченные циклоном. Антициклоны характеризуются нисходящими токами воздуха. Ветры в антициклонах вблизи поверхности направлены от центра, но отклоняющее воздействие вращения Земли приводит к тому, что в Северном полушарии они закручиваются

Движение воздуха

Рис. 3.4. Движение воздуха:

1 — в Северном полушарии; 2 — в Южном полушарии

по часовой стрелке, а в Южном — против. Метеорологические природные опасные явления представлены атмосферными вихрями, экстремальными температурами, атмосферными осадками и т.д.

Атмосферные вихри. Большинство опасных атмосферных явлений представлено разными формами вихрей (рис. 3.5).

Основные природные опасности метеорологического характера

Рис. 3.5. Основные природные опасности метеорологического характера

В порядке уменьшения кинетической энергии Е и размеров к ним относятся циклоны, ураганы (тайфуны), шквалы, смерчи (табл. 3.1). Вихри обычно зарождаются вокруг мощных восходящих потоков теплого влажного воздуха, быстро вращаются и при этом смещаются вместе с окружающей воздушной массой. По пути в благоприятных условиях подпитки влагой они могут усиливаться, но в конечном счете теряют энергию и рассеиваются.

Таблица 3.7

Энергия опасных атмосферных явлений (по Баттану) [58]

Опасные атмосферные явления

Кинетическая энергия, Дж

Пылевые смерчи

4- 107

Торнадо

О

О

Шквалы

4- 1012

Ураганы

4- 1016

Циклоны

4- 1017

Основными факторами опасности при различных атмосферных вихрях являются сильные ветры и интенсивные осадки. Разрушительная способность ветра зависит от его скорости, которая выражается в условных баллах. Наиболее известной является шкала скорости ветра — шкала Бофорта — 12-балльная шкала, предложенная в 1805 г. адмиралом Фрэнсисом Бофортом (1774—1857) (табл. 3.2). Существует и детальное подразделение для ураганных ветров:

  • • балл 12,1 — 35—42 м/с (122—150 км/ч). Сильный ветровал. Значительное разрушение легких деревянных поселков. Валятся некоторые телеграфные столбы;
  • • балл 12,2 — 42—49 м/с (150—175 км/ч). В легких деревянных поселках разрушается более 50% домов, в прочных постройках — повреждения крыш, окон, дверей. Штормовой нагон воды на 1,6—2,4 м выше нормального уровня моря;
  • • балл 12,3 — 49—58 м/с (175—210 км/ч). Полное разрушение легких деревянных поселков. В прочных постройках — большие повреждения. Штормовой нагон — на 1,5—3,5 м выше нормального уровня моря. Серьезное нагонное наводнение, повреждение зданий водой;
  • • балл 12,4 — 58—70 м/с (210—250 км/ч). Полный ветровал деревьев. Полное разрушение легких, сильное повреждение прочных построек. Штормовой нагон — на 3,5—5,5 выше нормального уровня моря. Сильная абразия морского берега. Сильные повреждения нижних этажей зданий водой;

Соотношения между баллами Бофорта, скоростью ветра и его действием на суше [70]

Таблица 3.2

Баллы

Бофорта

Словесное определение силы ветра

Средняя скорость ветра, м/с (км/ч)

Действие ветра на суше

0

Штиль

0-0,2 (< 1)

Безветрие. Дым поднимается вертикально, листья деревьев неподвижны

1

Тихий

0,3-1,5 (1-5)

Направление ветра заметно по относу дыма, но не по флюгеру

2

Легкий

1,6-3,3 (6-11)

Движение ветра ощущается лицом, шелестят листья, приводится в движение флюгер

3

Слабый

3,4-5,4 (12-19)

Листья и тонкие ветви деревьев все время колышутся, ветер развевает легкие флаги

4

Умеренный

5,5-7,9 (20-28)

Ветер поднимает пыль и мусор, приводит в движение тонкие ветви деревьев

5

Свежий

  • 8,0-10,7
  • (29-38)

Качаются тонкие стволы деревьев, движение ветра ощущается рукой

6

Сильный

  • 10,8-13,8
  • (39-49)

Качаются толстые сучья деревьев, гудят телеграфные провода

7

Крепкий

  • 13,9-17,1
  • (50-61)

Качаются стволы деревьев

8

Очень

крепкий

  • 17,2-20,7
  • (62-74)

Ветер ломает сучья деревьев, идти против ветра очень трудно

9

Шторм

  • 20,8-24,4
  • (75-88)

Небольшие повреждения, ветер начинает разрушать крыши зданий

10

Сильный

шторм

  • 24,5-28,4
  • (89-102)

Значительные разрушения строений, ветер вырывает деревья с корнем

11

Жестокий

шторм

  • 28,5-32,6
  • (103-117)

Большие разрушения на значительном пространстве. Наблюдается очень редко

12

Ураган

> 32,6 (> 117)

Производит опустошительное действие

• балл 12,5 — более 70 м/с (250 км/ч). Многие прочные здания разрушаются ветром, при скорости 80—100 м/с — также каменные, при скорости 110 м/с — практически все. Штормовой нагон выше 5,5 м. Интенсивные разрушения наводнением.

Для более ощутимого ориентирования в этой шкале можно привести следующие данные:

  • • человек удерживается на ногах при скорости ветра до 36 м/с;
  • • ветер со скоростью 28 м/с оказывает давление на встречающиеся на его пути поверхности 55 кг/м2;
  • • при скорости ветра 56 м/с (200 км/ч) давление возрастает до 280 к/м2.

Наиболее крупные формы атмосферных воздушных вихрей называют циклонами. Среди циклонов выделяется два типа: циклоны средних широт и тропические циклоны.

Циклоны средних широт. Для циклонов средних широт характерен диаметр порядка тысячи километров, иногда до 4 тыс. км. Эти циклоны существуют до 3—4 недель, проходя расстояния до 10 тыс. км со средней скоростью 30—40 м/с.

Над Северной Атлантикой циклоны рождаются круглый год и движутся в Евразию. Ежегодное их число достигает нескольких сотен, но лишь в единичных случаях скорость ветра достигает ураганной на побережьях Западной Европы и снижается до штормовой в Восточной Европе. Обычная скорость ветра, характерная для таких циклонов, составляет величины порядка 5—10 м/с. На дальнейшем пути они проявляются в виде обильных облаков. Циклоны средних широт лишь изредка причиняют серьезные неприятности. В конце января 1953 г. в районе Нидерландов, Германии, Бельгии и Англии под действием ураганов уровень воды поднялся на 3 м выше обычного, а волны достигали высоты более 9 м. Погибло 1800 человек, более миллиона человек лишились крова и их пришлось эвакуировать из районов бедствия. Водой было уничтожено либо прорвано 400 плотин.

В Центральном районе Европейской части России очень сильные ветры бушевали летом 1984 и 1998 гг. Много разрушений принес в Москву смерч, образовавшийся 16 (29) июня 1904 г., порожденный ураганом, пролетевшим накануне над центральными губерниями России. По оценкам того времени, скорость ветра в смерче составляла около 25 м/с, но современные специалисты считают эти показатели явно несоответствующими силе смерча и определяют ее в 60—90 м/с. По свидетельствам очевидцев, смерч срывал с домов крыши, ломал и вырывал с корнем деревья, поднимал в воздух на высоты в несколько десятков метров тяжелые предметы, домашних животных и людей, валил железнодорожные вагоны. Согласно приблизительным подсчетам прессы 1904 г. разрушению различной степени подверглись несколько тысяч домов, от крестьянских изб в подмосковных деревнях до многоэтажных городских зданий. Огромный ущерб был нанесен пригородным рощам — непосредственно в том месте, где шел смерч, в лесопарковом массиве осталась просека шириной около 200-300 м из вырванных и сломанных деревьев. Точного числа людей, пострадавших от смерча, нет, однако современники упоминали о сотнях погибших и примерно тысяче раненых.

Значительные неудобства среднеширотные циклоны создают в зимнее время, когда сопровождаются интенсивными снегопадами. В подавляющем же большинстве случаев циклоны средних широт достаточно безобидны.

Тропические циклоны (ураганы, тайфуны) приносят ураганные ветры, ливни, наводнения, разрушения и многочисленные смерти. Иногда тропические циклоны относят к разряду наиболее разрушительных природных катастроф. По данным ЮНЕСКО, от циклонов и вызываемых ими наводнений за период с 1950 по 1970 г. погибло 300 тыс. человек.

Тропические циклоны значительно отличаются от циклонов средних широт. Если в центре среднеширотного циклона давление воздуха понижается до 715 мм рт. ст. (953 мбар), реже до 698 мм рт. ст. (930 мбар), то в центре тропического циклона давление падает более сильно — до 675 мм рт. ст. (900 мбар). Диаметр области тропического циклона, как правило, в несколько раз меньше характерного диаметра циклона средних широт и составляет 200—500 км. Сильное снижение давления в центре и относительно малый диаметр области тропического циклона указывают на наличие большого градиента давлений в радиальном направлении. Если для среднеширотных циклонов обычным является барический градиент 1—3 мбар на 100 км, то в тропических циклонах он часто достигает значений в 60 мбар на 100 км, а в центре составляет 20 мбар на 20 км. При прохождении тропического циклона давление за 10—20 мин может измениться приблизительно на 40 мбар. Поэтому ветер в тропическом циклоне достигает огромной силы. Скорости ветра порядка 50—70 м/с характерны для таких циклонов.

«Глаз» циклона обычно имеет форму круга со средним диаметром 8-15 км, иногда до 30 км. Это область полного спокойствия, вокруг которой дуют сокрушительные ветры. Наличие устойчивой зоны пониженного давления («глаза») приводит к тому, что уровень океана под этой частью циклона повышается. Вода как бы всасывается в зону низкого давления, в результате возникают гигантские волны, по размерам напоминающие цунами.

Тропические циклоны зарождаются в низких широтах субтропических областей океанов, чаще всего в полосе между 5 и 10° северной или южной широты, в результате взаимодействия дующих в этих областях пассатов с мощными конвективными восходящими потоками воздуха, возникающими над сильно нагретой поверхностью океана, обычно выше 27°С (рис. 3.6).

Области зарождения тропических циклонов [47]

Рис. 3.6. Области зарождения тропических циклонов [47]

Если ветер закручивается в несколько спиралей и имеет скорость более 130 км/ч, то такой поток воздуха превращается в ураган. Названия тропических циклонов могут быть разными, в зависимости от того, где они зародились. Так, в Атлантическом океане они называются ураганами, в Тихом — тайфунами, в Австралии — вилли- вилли, в Океании — вили-вау, а на Филлипинах — багио. Основной источник энергии тропических циклонов — выделение огромного количества скрытой теплоты при конденсации водяных паров в восходящих воздушных потоках

Ежегодно над земной поверхностью возникает в целом порядка 70—80 тропических циклонов, которым обычно присваиваются женские имена, однако в среднем лишь в 50 ветер достигает ураганной силы. Возникнув, циклоны движутся к более высоким широтам, часто по извилистому пути. Время существования тропических циклонов обычно 5—15 дней, максимум до пяти недель. За это время они проходят расстояние 15—20 тыс. км, принося много бедствий и разрушений на своем пути.

Негативному воздействию тропических циклонов наиболее подвержены страны Юго-Восточной Азии, Южной и Центральной Америки, США, Дальний Восток, и количество циклонов, образующихся ежегодно, увеличивается (рис. 3.7).

Изменения в атмосфере Земли [27, с. 24]

Рис. 3.7. Изменения в атмосфере Земли [27, с. 24]:

а — рост количества глубоких циклонов в районе Северной Америки; б — рост числа ураганов и штормов в Атлантике

Это вызвано потеплением климата, увеличением испаряемости с поверхности океана и количества влаги в атмосфере. Облачный покров за последнее столетие увеличился на 10%. Все это привело к интенсивности общей глобальной циркуляции атмосферы и возрастанию циклонической активности.

Разрушения и многочисленные жертвы, связанные с тропическими ураганами, вызываются сильными ветрами, обильными осадками и штормами, наводнениями. Тропические циклоны классифицируются, как правило, по так называемой шкале Саффира — Симпсона (табл. 3.3).

Шкала изменения скорости ветра Саффира — Симпсона [46]

Таблица 3.3

Категория

Скорость ветра, км/ч

Штормовые волны, м

Действие

на наземные предметы

Действие

на прибрежную зону

Минимальный

119-153

1,2-1,5

Повреждения деревьев и кустарников

Небольшие повреждения пирсов, некоторые небольшие суда на стоянке сорваны с якорей

Умеренный

154-176

1,8-2,3

Значительные повреждения деревьев и кустарников; некоторые деревья повалены, сильно повреждены сборные домики

Значительные повреждения пирсов и пристаней для яхт, небольшие суда на стоянке сорваны с якорей

Значительный

179-209

2,7-3,6

Повалены большие деревья, сборные домики разрушены, у отдельных небольших зданий повреждены окна, двери и крыши

Сильные наводнения вдоль береговой линии; небольшие здания на берегу разрушены

Огромный

210-249

3,9-5,5

Деревья, кустарники и рекламные щиты повалены, сборные домики разрушены до основания, сильно повреждены окна, двери и крыши

Затоплены участки, находящиеся на высоте до 3 м над уровнем моря; наводнения распространяются на 10 км в глубь суши; ущерб от волн и переносимых ими обломков

Катастрофа

Более 250

Более 5,5

Все деревья, кустарники и рекламные щиты повалены, многие здания серьезно повреждены; некоторые здания разрушены полностью; сборные домики снесены

Сильный ущерб причинен нижним этажам зданий на высоте до 4,6 м над уровнем моря в зоне, простирающейся на 457 м в глубь суши; необходимы массовые эвакуации населения с прибрежных территории

В 1970 г. на границе Индии и Пакистана возник циклон третьей категории, получивший название Бхола. Несмотря на не самую высокую категорию, этот циклон вызвал значительные жертвы, так как огромное количество осадков привело к наводнению в долине реки Ганг. Циклонический ветер гнал приливную волну высотой 6—8 м, а по некоторым сообщениям — до 15 м. Волна направлялась к островам, самая высокая точка которых лежит на высоте 6,1 м над уровнем моря. Поэтому, когда волна накрыла крытые соломой хижины и рисовые поля, вода буквально поглотила их. Уцелели только вторые этажи домов состоятельных фермеров. Более 20 тыс. жителей одного из островов исчезли в море без следа. Потребовались месяцы, чтобы собрать погибших с улиц разрушенного города и окружающих полей. Бедствие вызвало стремительное распространение болезней, возникли эпидемии холеры и брюшного тифа, массовое распространение которых удалось остановить лишь спустя месяцы. В результате погибло, по разным оценкам, от 200 тыс. до 1 млн человек, в том числе от вспыхнувших эпидемий.

В результате тайфуна Нина в 1975 г. в Китае была прорвана плотина Банкиао, что вызвало наводнение и прорыв еще нескольких плотин. Это привело к гибели, по разным источникам, от 100 до 230 тыс. человек.

В 1997 г. ураган Полин в Мексике сопровождался значительными ливневыми осадками, в результате которых образовались многочисленные оползни, погибло 250—400 человек, а материальный ущерб составил 7,5 млрд долл., а в 2002 г. в Мексике во время урагана Кена, где скорость ветра превышала 250 км/ч (пятая категория), а высота волн достигала 4 м, жертв удалось избежать только потому, что все жители прибрежных зон были вовремя эвакуированы.

В бассейне Тихого океана действию тропических циклонов часто подвергается Япония. Более 6 тыс. человек лишились жизни, тысячи получили ранения и 1200 человек были объявлены пропавшими без вести во время действия тайфуна Ида, бушевавшего 27 сентября 1958 г. недалеко от Токио. Этот тайфун известен тем, что в нем было зарегистрировано рекордно низкое атмосферное давление, равное 877 мбар (658 мм рт. ст.). Тайфун уничтожил большую часть урожая, многие реки района вышли из берегов, уничтожив множество построек.

Самым разрушительным ураганом XX в. в Северной Атлантике считается ураган Митч, который возник у берегов Африки и пронесся по Гватемале, Гондурасу, Сальвадору, Панаме, Никарагуа, Коста-Рике, Ямайке, Мексике и США осенью 1998 г. Он унес жизни более 11 тыс. человек, столько же пропало без вести. Ураган, свирепствовавший несколько дней, уничтожил множество населенных пунктов, дороги, посевы, скот. Порывы ветра достигали скорости 285 км/ч, и по шкале Саффира — Симпсона ему была присвоена наивысшая пятая категория. Последствиями разгула стихии явились голод, нехватка питьевой воды, распространение вирусных заболеваний. Материальный ущерб от урагана оценивается в 6 млрд долл.

Однако самым смертоносным ураганом, который был когда- либо зафиксирован в Атлантическом регионе, считается Великий ураган, или ураган Сан-Калисто-П, возникший, по-видимому, в районе островов Зеленого мыса в Африке осенью 1780 г. и принесший многочисленные разрушения в район Малых Антильских островов Карибского моря. Он унес жизни 27 тыс. человек. Скорость ветра, по оценкам метеорологов, достигала 320 км/ч, а высота волн превышала 7 м, в результате было уничтожено и потоплено множество судов.

Таким образом, при тропических ураганах основными факторами опасности являются тропические ливни, ураганные ветры, наводнения, а также опасные природные явления, сопровождающие их, например оползни.

Защита от тропических циклонов (ураганов, тайфунов). Образование тропического циклона — очень сложный процесс, который пока до конца не расшифрован, поэтому и существующие методы прогнозирования пока не совершенны. Основным источником энергии тропического циклона является освобождаемое скрытое тепло масс влажного воздуха при его конденсации, которое, нагревая слои воздуха, увеличивает скорость восходящих потоков. Для предотвращения возникновения циклонов необходимо уменьшить влажность и скорость восходящих потоков воздуха в пределах огромных морских акваторий, где они зарождаются, при этом материальные затраты могут превысить многие миллионы долларов.

В настоящее время основной мерой защиты являются, прежде всего, заблаговременные предупредительные мероприятия. Первые станции для наблюдения и предупреждения о зарождении циклонов были организованы в 1873 г. на Кубе и Ямайке, и уже в 1873 г. выдали первое предупреждения о надвигающемся циклоне. В США централизованная служба была организована 1935 г., а с 1960 г. для наблюдения за передвижением циклонов используются авиация и метеорологические спутники, на фотографиях с которых четко распознается облачность циклонов. После получения неблагоприятного прогноза проводятся оперативные защитные мероприятия.

Поскольку основным показателем, определяющим разрушающее действие ураганов, бурь и смерчей, является скоростной напор воздушных масс, обусловливающий силу динамического удара и обладающий метательным действием, при необходимости следует проводить частичную эвакуацию населения; готовить убежища для защиты населения, уменьшать воздействие вторичных факторов поражения (пожаров, прорывов плотин, аварий), повышать устойчивость линий связи и сетей электроснабжения и пр.

В районах, часто страдающих от тропических циклонов, следует проводить заблаговременные (предупредительные) мероприятия для предотвращения значительного ущерба. В таких местах следует ограничить размещение объектов с опасными производствами, провести демонтаж некоторых устаревших или непрочных зданий и сооружений, а оставшиеся производственные и жилые здания укрепить и т.д.

В середине XX в. были попытки снизить скорость ветра в циклоне с помощью распыления в стене циклона сухого льда и йодида серебра, но данный способ защиты не принес ожидаемых результатов.

Крупные вихри, возникающие над морем, называют обычно смерчами, а над сушей — тромбами. В Северной Америке тромбы называют торнадо (от исп. tornado — смерч). Смерч представляет собой мощный сконцентрированный вихрь, имеющий вид воронки различной формы, которая спускается от нижней границы грозовых облаков часто до поверхности земли в виде облачного рукава или хобота диаметром в десятки и сотни метров (рис. 3.8). Смерчи по своим масштабам относятся к небольшим вихрям, имеющим ширину менее 100 м, а диаметр редко превышает 1,5 км.

Циклоны обычно подвижны и перемещаются в соответствии с глобальной циркуляцией воздушных масс со скоростью до нескольких десятков километров в час. Сталкивающиеся в них воздушные массы образуют теплые или холодные атмосферные фронты, которые никогда не бывают вертикальными. Холодный воздух подтекает под теплый и оттесняет его, теплый же «наваливается» на холодный (рис. 3.9).

Смерчи и торнадо возникают на периферии малоподвижных циклонов, и для их образования иногда достаточно 20—30 мин. Появляется восходящая струя теплого влажного воздуха, которая порождает крупное и высокое, до 12—15 км, грозовое облако. Из него начинается выпадение дождя и града в кольце вокруг восходящей струи. В некоторый момент завеса осадков закручивается в спираль в виде цилиндра или конуса, который стремится расшириться

Образование смерча [63]

Рис. 3.8. Образование смерча [63]

за счет центробежной силы, что создает пониженное давление в трубе. Между центральной и краевой частями торнадо отмечалась разность давлений до 80—100 мбар. Для поддержания смерча требуются продолжение подачи влажного воздуха вверх, что облегчается пониженным давлением в трубе, и определенная плотность вращающейся стенки дождя и града. Начальное условие формирования смерча — мощное грозовое облако и обильные осадки из него — обычно достигается при комбинировании тепловой конвекции и поднятия теплого воздуха подтекающим под него клином холодного, т.е. в условиях холодного атмосферного фронта. Поэтому 90% смерчей связаны с холодными фронтами. Однако в пустынях США отмечаются торнадо, не связанные с облачными образованиями. Это так называемые «пустынные дьяволы».

Для классификации торнадо Теодор Фудзито (1920—1998) в 1971 г. предложил специальную шкалу, учитывающую скорость движения ветра в вихревых потоках, — шкалу градации скорости ветра в торнадо и его разрушительная способность, которая носит его имя (табл. 3.4).

Атмосферный фронт

Рис. 3.9. Атмосферный фронт: а — теплый; б — холодный [75]

Разрушительное действие смерчей связано с двумя факторами: огромной скоростью вращения стенок и значительным перепадом давлений (рис. 3.10).

Удар вращающейся стенки смерча способен разрушить капитальные постройки. Перепад давлений вызывает «взрывы» зданий, над которыми проходит смерч. Восходящий поток воздуха внутри смерча, скорость которого достигает 70—90 м/с, способен поднимать и переносить на значительные расстояния тяжелые предметы: крупные деревья, автомашины и т.п., а также людей и животных. Смерчи способны отсасывать воду из водоемов, например смерч, разыгравшийся однажды в Канаде, понизил уровень озера на 60 см,

Шкала Фудзиты [73]

Кате-

гория

Скорость ветра

Частота

Характеристика

м/с

км/ч

F0

18-32,5

64-116

39,8%

Штормовой. Повреждает дымовые трубы и телевизионные вышки, ломает старые деревья, сносит вывески

FI

32,5-50

117-180

35,6%

Умеренный. Срывает крышу с домов, сносит с фундамента передвижные дома, перемещает автомобили

F1

50-70

181-253

19,4%

Значительный. Срывает крыши с домов, разрушает передвижные дома, вырывает с корнем крупные деревья, выбивает окна

F3

70-92,5

254-332

4,9%

Сильный. Срывает крыши с домов и ломает некоторые стены, опрокидывает поезда, вырывает с корнем большинство деревьев, поднимает в воздух тяжелые автомобили

F4

92,5-116,5

333-418

1,1%

Разрушительный. Поднимает в воздух легкие дома, частично или полностью разрушает прочные дома, переносит на значительное расстояние автомобили

F5

116,5-142,5

419-512

менее

0,1%

Невероятный. Сносит с фундамента прочные дома и переносит их на значительные расстояния, срывает асфальт, переносит тяжелые автомобили на расстояние более 100 м

F6-F12

более 142,5

более 512

менее

0,001%

Апокалиптический. Категории с F6 по F2 являются теоретическими. Разрушения от торнадо категории F6 и более высоких категорий почти не отличить от тех, которые нанес бы F5, так как большинство разрушений нанесет периферия вихря, еще до того, как ветер силы F6 дойдет до территории разрушений

Барограмма приземного атмосферного давления при прохождении смерча (торнадо) в США (24.05.1962) [20]

Рис. 3.10. Барограмма приземного атмосферного давления при прохождении смерча (торнадо) в США (24.05.1962) [20]

засосав более полумиллиона тонн воды. Опасны также «бомбардировки» поднятыми смерчем тяжелыми предметами.

Смерчи распространены повсеместно, где происходят столкновения влажных воздушных масс со значительно более холодными. Кроме того, зародившиеся вихри могут получать подпитку влагой. Особенно часто они возникают в США, Индии, Бангладеш, Японии, Аргентине. Наиболее подвержен действию смерчей (торнадо) пояс субтропиков США. Здесь ежегодно отмечается от 450 до 1500 торнадо, в среднем 750-850 в год. В США по количеству жертв торнадо занимает третье место (в среднем около 100 в год), после ураганов и гроз. Прямой экономический ущерб от торнадо измеряется в среднем сотнями миллионов долларов за год.

Обычно время существования смерча непродолжительное. Однако Мэттунский смерч, возникший 26 мая 1917 г. в США, просуществовал 7 ч 20 мин, пройдя при этом расстояние в 500 км. Ширина воронки составляла 0,4-1 км. В результате смерча погибло 110 человек.

Среди многочисленных американских смерчей самым мощным считается Ирвингский, который возник в июне 1879 г. в штате Канзас, в Калифорнии. Несколько воронок гуляли по этому штату, они переламывали вековые дубы или закручивали их вокруг друг друга, огромные камни поднимались в воздух и уносились почти на сотню метров. В городе Ирвинг один из вихрей скрутил железный мост протяженностью почти 100 м и утопил его в реке, а в городе Даусон Миллс была целиком поднята церковь и перемещена на несколько метров, после чего постройка проползла еще некоторое расстояние, погрузившись в землю на полметра.

В среднем за год насчитывается свыше 200 смертных случаев от торнадо. Убытки ежегодно исчисляются многими десятками миллионов долларов. Одно единственное торнадо в Северной Дакоте 20 июня 1957 г. разрушило 500 домов на площади в одну квадратную милю и причинило убытков на 15 млн долл. В декабре 2015 г. целая серия разрушительных торнадо пронеслась по югу США, при этом погибло почти 20 человек.

Защита от торнадо (смерча). Опасность торнадо заключается в его способности быстро возникать и перемещаться, разрушать самые прочные постройки, поэтому мостовые покрытия, сооружения, воздушные линии электропередач, наземные трубопроводы — все это может быть вовлечено в образовавшийся вихрь, при этом перемещаясь внутри с огромной скоростью. Защита от торнадо проблематична, поскольку невозможно определить траекторию и скорость его передвижения. Для снижения риска необходимо как можно быстрее укрыться в подвале или другом укрытии, имеющемся в населенном пункте. Для защиты от летящих обломков, осколков стекла, прочих предметов, можно использовать различные подручные средства.

Потоковые бури. Для них характерно движение воздуха в виде потока, струи (различной высоты и ширины) без видимого вихревого движения. Они связаны преимущественно с атмосферными фронтами, часто создаются потоками воздуха в долинах и по краям возвышенностей. В бурях этого типа скорость ветра достигает 40—50 м/с, а их продолжительность в среднем составляет от 12—24 ч до недели. Весьма условно их можно подразделить на стоковые (бора, фен), снежные (чинук, сайта ана) и струевые (норд, улан, санташ, эби, урсатьевский ветер) бури. Например, фен — теплый ветер, дующий с гор в долины, а его свойства обусловлены адиабатическим нагревом воздуха при нисходящем движении (рис. 3.11).

Часто ветры такого типа носят местные названия, например новороссийская и адриатическая бора, сарма и баргузин на Байкале, гармсиль с хребта Копегдаг, хазри вдоль восточного края Кавказа у Каспия, мистраль у средиземноморского побережья Франции, трамоитана в Италии, сирокко — горячий африканский ветер в Средиземном море и многие другие местные бури. Вызываемые ими опасные явления разнообразны в зависимости от времени года и местных условий. Это и сильные бураны зимой, и пылевые бури и суховеи летом. Так, новороссийская бора представляет собой хо-

Формирование фена [60]

Рис. 3.11. Формирование фена [60]

лодный резкий ветер, дующий с гор на побережье и вызывающий резкое похолодание, оледенение набережной и кораблей в городе Новороссийске. Санташ — восточный ветер в районе Иссык-Куля, дующий в районе Пржевальска более 70 дней в год и начинающийся иногда одновременно с западным ветром уланом, является признаком начала периода плохой погоды. Ветер чинук — это теплый и сухой ветер на восточных склонах Скалистых гор в США, особенно характерен для зимы.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >