У природы есть немало «инструментов», чтобы показать человеку, кто хозяин на планете Земля. Землетрясения, извержения вулканов, цунами, тайфуны, аномальные зоны. И конечно, одно из самых-самых непредсказуемых и «зрелищных» – торнадо. Этот смерч-убийца очень коварен и принадлежит к одним из наиболее грозных и необычных явлений природы. Человечество на всем протяжении своего существования пытается разобраться в причинах возникновения того или иного природного катаклизма. С трудом продираясь через приметы, вычерчивая строгие графики, разрабатывая сложнейшие формулы, ученые пытаются предсказывать слепую ярость стихии. Однако всегда остаются какие-то неучтенные факторы, и продуманные модели дают сбои. Но человек – существо упорное, и у природы остается все меньше и меньше загадок для него. Самыми непредсказуемыми до сих пор остаются смерчи, или – в американском варианте – торнадо. Изучать его опасно. При его приближении хочется спрятаться, зарыться поглубже в землю, а не следить за приборами, которые попросту выходят из строя. Этот «подарок» природы появляется, как джинн из бутылки, и в ярости крушит на своем пути все, что ни попадется. О его приближении возвещает страшный грохот. Он способен играючи поднимать в воздух автомобили и даже дома, с легкостью вырывать с корнем вековые деревья и одним махом стирать с лица земли целые поселения. Его часто сравнивают с воронкой, образованной стекающей водой в ванной, с той лишь разницей, что там движение направлено вниз, а в торнадо – вверх. Внешне торнадо – это атмосферный вихрь над сушей с вертикальной, порой изогнутой осью вращения, которая может достигать высоты 12–15 километров. Он возникает в грозовой туче и распространяется вниз, часто до самой поверхности земли, напоминая бешено вращающийся и быстро перемещающийся темный облачный рукав или слоновий хобот. Смерчи всегда несут большие разрушения, и оставленные ими «шрамы» можно найти по всему земному шару. Но наиболее часто они возникают в центральных районах США. Именно в Соединенных Штатах они и получили название торнадо (в Европе их называют тромбами и смерчами). Среднее количество смерчей на территории США – до 1000 в год, причем половина из них приходится на апрель, май и июнь. Наибольших величин этот показатель достигает в Техасе (120 в год), наименьших – в северо-восточных и западных штатах (1 в год). Американская классификация смерчей, ныне используемая метеорологами всего мира, делит их на шесть категорий: F0 – слабый. Происходят нарушения дымовых труб и телевизионных антенн, ломаются ветви деревьев, падают деревья со слабыми корнями. F1 – средний. Срывает крыши, разбивает окна, некоторые деревья вырывает с корнем или ломает, переворачивает или передвигает легкие автоприцепы, сносит с дорог движущиеся автомобили. Подобные повреждения возникают и при действии ураганного ветра. F2 – значительный. Срывает крыши, разрушает обычные сельские дома, вырывает с корнем большие деревья, уносит с шоссе автомобили, переворачивает железнодорожные вагоны, поднимает в воздух легкие предметы. F3 – серьезный. Срывает крыши и разрушает части стен, полностью разрушает обычные сельские здания, разрывает стальные оболочки сооружений (ангары или пакгаузы), большинство деревьев вырывает с корнем, отрывает от земли автомобили, подбрасывает их в воздух, переворачивает поезда. F4 – опустошающий. Большинство зданий превращает в груды обломков, значительно разрушает стальные конструкции, в воздухе летают крупные предметы, уносит на некоторое, иногда большое, расстояние автомобили и поезда. F5 – поражающий. Смерч проходит, оставляя за собой следы разрушений на относительно узкой полосе территории шириной от 10 до 500 метров. Каркасы зданий срывает с фундаментов, сильно повреждает железобетонные конструкции, в воздухе летают предметы размером с автомобиль. Возможны необычные явления. Смерчи такой силы на территории бывшего Союза никогда не регистрировались. Каталог смерчей в СССР и СНГ за период 1944–1998 годов включает сведения о 264 смерчах, из которых 40 % были слабыми. За 140 лет наблюдений зарегистрировали 13 серьезных и два опустошающих смерча. В европейской части ученые выделили две основные зоны смерчеобразования. Первая находится между Москвой и Нижним Новгородом, где наблюдались два смерча класса F4. Вторая – по обе стороны украинско-белорусской границы с центром около Киева, где наблюдались три смерча класса F3 (в Киевской, Черкасской и Одесской областях) и большое число смерчей первых двух классов. Загадка происхождения торнадо до конца еще не решена. Но известно о них уже немало. Образуются они в грозовом облаке – там, где сталкиваются воздушные потоки различных направлений и температур. По мнению многих метеорологов, важнейшее условие для возникновения смерча – существование мощного слоя теплого влажного воздуха у земной поверхности и холодного сухого над ним. При такой весьма неустойчивой комбинации и возникают мощные завихрения масс воздуха, порождающие смерчи. И чем резче контраст температур, влажности, плотности и параметров воздушных потоков, тем мощнее торнадо. Иногда «холодным компонентом» может служить спускающийся в атмосферу Земли вакуумный домен в виде «космического льда». Ученые считают, что эта быстро вращающаяся воздушная воронка является частью материнского облака, которое по структуре и динамике представляет собой маленький тропический ураган, с типичным для урагана «глазом бури», и имеет спиральное строение. Зарегистрированы случаи (например в районе Шанхая), когда в непосредственной близости от корабля на поверхности моря появились брызги и вдруг из них образовывался крутящийся столб шириной около 10 и высотой 6 метров. Он быстро рос. Сначала над ним не было облаков, но через некоторое время появилось облако, которое на глазах становилось черным. Водяной столб соединял его с морем. Как видим, эти наблюдения подтверждают связь воронки и материнского облака, но меняет их роли местами. Однако известен и тот факт, что в материнских облаках наблюдаются только длинные горизонтальные вихри. В какой же момент появляется вектор вертикального вращения, остается загадкой. Интересно проследить и движение смерча. Как правило, воронка касается земли только на отдельных участках, а следы разрушений образуют пунктирную линию. Когда воронка касается поверхности земли или воды, то отчетливо проявляется действие большой вертикально направленной силы. В то же время, когда воронка земли не касается, вертикальное течение отсутствует. Чем это вызвано, выяснить специалистам не удалось. Воронки, не касающиеся земли, издают шипящий звук. Воронки, касающиеся земли, рождают ужасный грохот, как будто движутся сотни поездов, но никогда не бывает раскатов грома. На некотором расстоянии от воронки шум заметно ослабевает. Нуждается в объяснении и тот очевидный факт, что вращение воздуха обязательно приводит к снижению давления. Почему конец воронки на высоте 6 метров не вызывает ни разрушений, ни быстрого движения воздуха, а коснувшись земли, уносит предметы и производит разрушение? Непосредственные измерения показывают, что внутри полости имеется область пониженного давления, равного 0,951 атмосферы, что очень далеко от состояния вакуума. Так почему же хобот при соприкосновении с рекой способен обнажить дно и высосать из нее воду, а многочисленные наблюдатели даже не почувствовали дуновения ветра, когда воронка проходила над ними на высоте 6 метров? Ведь движение воздуха во внутренней полости направлено вниз и достигает большой скорости, а в стенках воронки оно направлено по спирали вверх со скоростью 100–200 метров в секунду. И вообще, хобот действует как-то избирательно. Например, однажды воронка вырвала с корнем большую яблоню, разодрала ее в клочья, а пчелиный улей, находившийся в одном метре от яблони остался невредим. В штате Оклахома двухэтажный деревянный дом был унесен воронкой и разломан на мелкие куски. А невысокая трехступенчатая лестница, ведущая в дом, осталась на месте. У «форда», стоящего рядом с домом, хобот вырвал два задних колеса, не повредив при этом кузов и не погасив стоявшую под деревом горевшую керосиновую лампу. До сих пор не сумели произвести непосредственные измерения скорости ветра в хоботе, главным образом из-за поломки приборов. Косвенные оценки дают разные величины – от 200 до 1300 км в час. Поскольку измерения относятся к разным воронкам, в разные моменты их существования, то такой разброс вполне объясним. А ведь именно со скоростью вращения связывают способность протыкать мягкими предметами твердые – соломинки пронзают доски, щепка прокалывает ствол дерева, доска проходит сквозь толстый стальной лист. Так, например, однажды стена деревянного дома оказалась проткнутой насквозь старой обуглившейся доской. При этом обугленный рыхлый передний конец на острие доски остался не поврежденным. Лист клевера оказался вдавлен в твердую штукатурку. После прохождения воронки 1896 года в Сент-Луисе нашли лист железа толщиной 10 мм, пробитый насквозь сосновой палкой. Это самое распространенное и самое необъяснимое проявление торнадо. Считается, что под действием гравитационного поля Земли на тонких концах различных предметов собирается гравитационный заряд большой плотности, который устремляется к гравитационному заряду, создаваемому Землей на поверхности дома или дерева. Наиболее ярким «зрелищем» в момент прохождения торнадо остается его уникальная способность действовать как пылесос, втягивающий все, что попадается на его пути: бревна, камни, людей, вагоны и даже содержимое водоемов с их обитателями. Движение воздуха в системе смерча обычно происходит против часовой стрелки (но не исключены и движения по часовой стрелке).
Одновременно в хоботе совершается подъем воздуха по спирали. На соседних участках происходит опускание воздуха, в результате чего вихрь замыкается. Под влиянием большой скорости вращения внутри вихря развивается центробежная сила, вследствие которой давление в нем понижается. Это приводит к тому, что при перемещении вихря в него всасываются все предметы, которые встречаются на его пути. Затем они выпадают из облаков, иногда на значительном расстоянии. Именно с этим связаны так называемые цветные дожди, которые образуются благодаря втягиванию в систему вихря окрашенных частичек породы и смешиванию их с каплями дождя. Здесь было бы уместно вспомнить один маленький опыт великого Эйнштейна. Его как-то заинтересовал процесс, который происходит при размешивании чая в стакане. Оказывается, плавающие чаинки при интенсивном вращении воды каким-то непостижимым образом всегда оказываются в центре вращения. Эйнштейн объяснил это следующим образом: когда весь цилиндр из воды вращается, то на воду действует центробежная сила. Но слои воды вверху и внизу находятся в неравных условиях. Нижние слои испытывают трение при контакте с дном стакана и вращаются медленнее. Верхние слои вращаются свободно, не испытывая особых проблем при контакте с воздухом. Поэтому верхний слой вращается быстрее, испытывая на себе более значительную центробежную силу. Так в толще воды появляется круговое течение. И все чаинки собираются к центру и даже стремятся подняться немного вверх. Этот стакан с чаем чем-то напоминает модель торнадо. Начинается смерч, очевидно, примерно так: два потока воздуха двигаются встречным курсом, но не совсем лоб в лоб. При соприкосновении друг с другом происходит их закрутка и «вливание» друг в друга. Сзади подпирает идущий следом поток. В точке встречи двух потоков массе воздуха не остается ничего иного, как двигаться вверх по расширяющейся спирали. Процесс – как в чашке чая: внизу мешает трение о землю, вверху вращению ничего не мешает. Началу движения вверх могут также способствовать восходящие потоки нагретого солнцем воздуха. А дальше вступает в силу центробежный фактор, который, подобно насосу, всасывает в хобот все, что ни попадается, и переносит на большие расстояния. Бывали случаи, когда смерч обнажал дно Москвы-реки. Подобное явление наблюдалось и на Миссисипи, а на Рейне ширина обнажения достигала 25 м при глубине 7 метров. По снижению уровня воды в одном из озер относительно его площади была подсчитана масса всосанной воды – 500 тыс. тонн! Значит, подъем и перенос различных предметов – характерное свойство торнадо. Человека и животных хобот может перенести на расстояние от 4 до 10 км, и иногда оставляет живыми. А однажды моллюсков размером 2–3 см унесло на расстояние 160 км. Интересно, что раковины падали на землю за 2 часа до того, как пришло главное смерчевое облако. А когда на пути Ирвингского смерча (1879 год) встал новый металлический мост длиной 75 метров и массой 108 тонн, хобот поднял его и в воздухе свернул в плотный сверток. Когда этот же смерч надвинулся на большую каменную школу, то обломки здания крутились внутри с огромной скоростью, но не выбрасывались наружу. Большая деревянная церковь вместе с 50 прихожанами была поднята в воздух и перенесена на четыре метра, потом протянута по земле еще два метра. При этом все люди остались живы. Очень часто торнадо сопровождается шаровыми молниями. Иногда короткие и широкие листовые молнии окружают воронку. Иногда вся поверхность светится странным желтоватым светом. Приключение внутри вихря пережил в 1928 году фермер из штата Канзас Уилл Келлер. По его словам, воздух внутри торнадо оставался абсолютно неподвижным. Внутреннее пространство трубы освещали периодически вспыхивавшие молнии, пронизывавшие его от стенки до стенки. Нижний край хобота торнадо был неровным, из него словно бы свисали лохмотья и время от времени «отпочковывались» маленькие, дочерние торнадо, которые, кружась в бешеном спиральном вихре, уносились прочь. Внутри трубы «плавало» туманное светящееся облако. В мае 1943 года внутри смерча побывал Рой Холл. Вот что он потом рассказал: «Я смотрел вверх, в эту гигантскую трубу торнадо, уходящую в бесконечную высь. Она простиралась в высоту, наверное, метров на 300 и неторопливо перемещалась, слегка наклонившись к юго-востоку и плавно покачиваясь. И одновременно вращалась с бешеной скоростью. В самом низу диаметр этого исполинского хобота составлял не менее 120 метров, а выше он был еще больше. Пустоту внутри хобота частично заполняло какое-то туманное облако, из которого исходил мерцающий, словно флюоресцирующий свет. Это сверкающее облако находилось в средней части трубы и не касалось ее внутренней поверхности». О том, чем может быть эта светящаяся субстанция, у ученых даже нет предположений. Несмотря на смертельную опасность смерча, среди американцев встречаются любители острых ощущений, которых называют «охотниками на торнадо». Эти отчаянные люди практически каждое лето выезжают в Оклахому или Техас, чтобы на своих машинах преследовать вихри. Когда расстояние между торнадо и машинами становится минимальным, смельчаки выходят на дорогу и пытаются заснять вихрь на фотопленку. Считается, что первыми «охотниками» в 50-е годы прошлого века были Дейв Хоадли, Роджер Дженсен и Нейл Бард. Говорят, что сегодня таких экстремалов уже больше сотни. Разумеется, игры со стихиями не обходятся без жертв; остается только удивляться, что за всю историю «охоты» погибло всего семнадцать человек. Возможно, это объясняется тем, что, как заявляют сами «охотники», многие из них способны предчувствовать торнадо (хотя, по мнению ученых, предсказать, где именно образуется смерч, невозможно) и определять, в каком направлении понесется вихрь. Единственный раз за всю историю наблюдения за торнадо метеорологам удалось засечь радаром момент его зарождения, правда всего за 12 минут до его возникновения. Этот ужасный смерч был назван «Чудовищем». Ученым в тот день удалось приблизить радары на расстояние двух километров от воронки, и одна бригада рассмотрела внутреннюю структуру торнадо. В центре так называемого глаза просматривались четыре мини-смерча. При этом соседние хоботы вращались в противоположных направлениях, иначе окружающие их воздушные вихри сильно мешали бы друг другу, сталкиваясь между хоботами. Монстр родился под облаком в 6 часов 11 минут 3 мая 1999 года. Вначале его не было видно. Но когда скорость ветра увеличилась до 350 км/ч, он начал менять цвет в зависимости от того, что в него попадало. Сначала смерч был белым от дождевой воды, потом потемнел, напитавшись грязью и мусором. Широкое основание размером с футбольное поле и ровные бока делали его похожим на печную трубу. Он перекачал в себя всю мощь эпицентра и стал напоминать гигантский клин. Путь смерча освещали вспышки разорванных линий электропередач. Наконец скорость вихря достигла отметки 510 километров в час – самой высокой из всех зарегистрированных. В 6.45 торнадо растерзал поселок Бридж-Крик, затем проутюжил окраины Оклахома-сити. Он сносил дома с фундаментов, и уровень разрушений позволил отнести «Чудовище» к классу F5. В 7.44 самый долгий и разрушительный торнадо наконец «умер». Он просуществовал 90 минут, прошел путь длиной в 61 километр и разрушил восемь тысяч зданий, принеся миллиардные убытки. Погибли 38 человек. Но тысячи людей благодаря своевременному прогнозу спаслись. Кроме водяных и грязевых смерчей случаются и… огненные. Причиной их возникновения могут быть извержения вулканов или очень сильные пожары. Чудовищной силы огненный смерч образовался во время пожара на льняной фабрике в канадском городке Уинклер 19 апреля 2000 года. Вечером на складах льна загорелась одна из деревянных перегородок. Через 45 минут более миллиона тонн льна превратили склад в горящий ад. Воздух, нагретый до 500 °C, поднимался вверх и создавал огненную бурю. Пока рабочие, ни о чем не подозревая, пытались тушить пожар, разница в атмосферном давлении сформировала смерч. Огненный торнадо вышел из-под контроля и пошел «гулять» по долине, принеся колоссальные убытки и человеческие жертвы. Физическая природа смерча многолика, и поэтому его изучением занимаются специалисты различных областей науки. С точки зрения физика-метеоролога, это «скрученный» дождь, неизвестная ранее форма существования осадков. Для физика-механика это – необычная форма вихря, а именно: двухслойный вихрь с воздушно-водяными стенками и резким различием скоростей и плотностей обоих слоев. Для физика-теплотехника это – гигантская гравитационно-тепловая машина огромной мощности; в ней мощные воздушные потоки создаются и поддерживаются за счет теплоты фазового перехода вода – лед, которая выделяется водой, захваченной смерчем из любого естественного водоема, когда она попадает в верхние слои тропосферы. В последние годы была выявлена еще одна возможность зарождения торнадо. При подъеме больших масс воды в верхние слои тропосферы происходит образование вихрей, которые за свои относительно небольшие размеры получили название мезоциклонов. Мезоциклон захватывает слой воздуха на высоте от 1–2 км до 8—10 км, имеет диаметр 8—10 км и вращается вокруг вертикальной оси со скоростью 40–50 м/с. Существование мезоциклонов установлено достоверно, хотя структура не исследована достаточно подробно. Обнаружено, что в мезоциклонах на оси возникает мощная тяга, которая выбрасывает воздух на высоты до 8—10 км и выше. Наблюдателями было обнаружено, что именно в мезоциклоне иногда зарождается торнадо. Итак, торнадо – это такое явление, которое не допускает объяснения в рамках общепринятых концепций, которое ставит вопросы, но не дает на них ответов.