Глаз бури
Из Википедии — свободной энциклопедии
Глаз бури, также глаз урагана, або офо, бычий глаз — область прояснения и относительно тихой погоды в центре тропического циклона.
Типичный глаз бури имеет диаметр от 20 до 30 км, в редких случаях — до 60 км. В этом пространстве воздух имеет бо́льшую температуру и меньшую влажность, нежели в окружающей его области ветра и дождевых облаков. В результате возникает устойчивая температурная стратификация.
Стена ветра и ливня служит изолятором для очень сухого и более тёплого воздуха, опускающегося в центр циклона из верхних слоёв. По периферии глаза бури часть этого воздуха смешивается с воздухом из облаков и благодаря испарению капель охлаждается, тем самым образуя мощный нисходящий вдоль внутренней стороны облаков каскад относительно холодного воздуха.
В это же время в облаках воздух стремительно поднимается.
Это построение и образует кинематическую и термодинамическую основу тропического циклона.
Кроме того, вблизи оси вращения уменьшается горизонтальная линейная скорость ветра, что для наблюдателя, при попадании в центр циклона, производит впечатление прекратившейся бури, по контрасту с окружающим пространством.
Тайна «глаза» урагана, которую по сей день не могут разгадать ученые
Именно поэтому метеорологам приходится внимательно следить за «глазами» ураганов. Эти странные явления дают бесценную информацию о том, насколько сильными и разрушительными будут ураганы и какие регионы пострадают от них больше всего. И все же, несмотря на интенсивное внимание как к самым ураганам, так и к тайнам их «глаз», исследователям сложно понять, как они формируются. В статье, опубликованной в 2006 году, было дано около сотни объяснений того, как образуются «глаза» ураганов, но многие из них явно противоречат друг другу, поэтому финальную точку в этом вопросе все еще предстоит поставить.
Однако новая статья, опубликованная 12 января в журнале Physical Review Fluids, проливает немного света на этот вопрос.
Сложности моделирования процесса образования «глаза» урагана
Авторы статьи пишут, что выяснить природу образования «глаза» и смоделировать его очень сложно, так как внутренняя структура ураганов и других циклонов зависит от нескольких сил и явлений, и при этом все они очень сложные и плохо изученные. Ученым все еще не удается понять, как взаимодействуют эти сложные системы.
Несмотря на то что внешне все «глаза» ураганов похожи, ученые даже не смогли определить, действительно ли одни и те же механизмы отвечают за разные классы атмосферных вихрей. Учитывая отсутствие этого фундаментального понимания, невозможно с уверенностью определить правила формирования этих «глаз».
Модель атмосферного циклона
Несмотря на все сложности работы, исследователям удалось создать, по их словам, самую сложную модель атмосферного циклона, которую они описали в статье, опубликованной в Journal of Fluid Mechanics в январе 2017 года.
В статье 2018 года ученые писали, что моделирование «глаза» циклона требует особой осторожности. Также они подчеркнули, что при создании их модели не были учтены такие существенные характеристики атмосферных вихрей, как вертикальная стратификация температуры воздуха, изменяющаяся анизотропная вязкость вихря, а также скрытое тепловыделение из-за конденсации водяного пара.
Тем не менее ученые называют свою модель разумным, но упрощенным аналогом тропического шторма, который может формироваться в реальных условиях.
При каких условиях формируется «глаз» урагана?
Благодаря своей модели исследователи обнаружили, что «глаз» урагана не может сформироваться без соблюдения четырех граничных условий. Вот они:
Важным моментом здесь является то, что глаз циклона образуется при правильном балансе внутреннего трения шторма, его скорости и силы вращения Земли, которая действует на шторм (по крайней мере, в этой упрощенной модели, созданной учеными).
Исследователи подчеркивают, что полученные ими результаты не в полной мере позволяют ответить на вопрос, почему в ураганах формируются «глаза», поскольку в созданной ими модели не были учтены слишком многие факторы. Кроме того, существует вероятность, что в реальности ураганы формируются совсем не так, как в случае моделирования. Также их модель не охватывает другие формы атмосферных циклонов, к примеру торнадо.
Перспективы нового исследования
Так есть ли польза от этого исследования? Ученые пишут, что оно позволяет определить, в каком направлении двигаться дальше, чтобы изучить образование «глаз» циклонов, поскольку отвечает на некоторые основные вопросы об ураганах. А именно: почему они формируются именно так, а не иначе, и что позволит метеорологам лучше прогнозировать поведение штормов?
Что такое ураган и почему «Харви» так опасен: ярость природы
Ежедневно мы узнаем все больше печальных новостей о том, как мощный ураган «Харви», свирепствующий на территории Мексиканского залива, вызывает все больше разрушений и уносит всевозрастающее число человеческих жизней. Ураганы, тайфуны — все это практически незнакомо жителям средней полосы, а потому мы решили рассказать вам о том, что же на самом деле представляет собой это стихийное бедствие.
Что такое ураган
У термина «ураган» есть два основных значения. Во-первых, ураган — это шторм, то есть очень сильный ветер, скорость которого превышает 30 м/с. Часто такие штормы сопровождаются сильными волнениями на море или океане. Однако нас интересует второе, более узкое и привычное значение, согласно которому ураган — это погодная система низкого давления. Она возникает над нагретыми участками открытой воды достаточного размера и сопровождается мощными грозами, ливнями и штормами. Из космоса ураган похож на огромную воронку из облаков: он получает энергию от того, что теплый влажный воздух поднимается вверх, после чего влага конденсируется в форме водяного пара и выпадает дождем, а ставший сухим теплый воздух при этом опускается вниз. Ураганы также называют «циклонами с теплым ядром», поскольку принцип действия полярных и внетропических циклонов совершенно иной.
Само слово «ураган» происходит от имени майянского бога ветра — Хуракана. Существует и еще одно популярное название урагана — «тропический циклон». А вот в Японии и на Дальнем Востоке ураганы называют тайфунами. Они возникают и поддерживают свою силу только над поверхностью крупных водоемов, и если ветер снесет ураган на сушу, тот быстро исчерпает себя. Поэтому сильнее всего от стихии страдают именно прибрежные районы, но ливневые дожди, порожденные ураганами, часто вызывают обширные наводнения даже на расстоянии 40 км от берега.
Несмотря на то, что тропические циклоны часто наносят огромный ущерб инфраструктуре, абсолютным злом их назвать нельзя. Во-первых, именно благодаря ураганам в некоторых районах Земли прекращается засуха и возобновляется растительный ландшафт. Во-вторых, тропические циклоны переносят большое количество энергии от экваториальных широт в направлении умеренных, что делает их важной составляющей глобальных процессов циркуляции атмосферы. Это приводит к уменьшению температуры на различных участках поверхности планеты, так что она избегает перегрева и сохраняет стабильно-умеренный климат.
Физики нашли гидродинамические критерии для формирования глаз тропических циклонов
Фотография урагана Катарина, полученная экипажем МКС в 2004 году. В центре вихря виден глаз циклона, свободных от облаков
NASA Johnson / flickr
Физики смоделировали процесс образования глаз крупных тропических циклонов и сформулировали минимальные необходимые для этого гидродинамические критерии. Оказалось, что формирование свободных от облаков областей в центре циклонов происходит при нужном соотношении инерционных сил, вязких сил и силы Кориолиса, пишут ученые в Physical Review Fluids.
Циклон представляет собой атмосферный вихрь с зоной пониженного давления в центре. Часто в центре циклона формируется свободная от облаков область теплого и сухого воздуха диаметром от 20 до 60 километров — так называемый глаз циклона. Такие структуры характерны как для относительно небольших циклонов, так и для тропических циклонов, которые могут сопровождаться ураганами и приводить к катастрофическим последствиям. Несмотря на то, что структура глаз циклонных вихрей изучена довольно хорошо, из-за того, что атмосфера представляет собой очень сложную неравновесную систему с большим количеством параметров, до сих пор не удавалось точно определить наиболее важные факторы, которые определяют их образование. Поэтому очень сложно предсказать, при каких условиях будет формироваться глаз циклона, а при каких — нет.
Физики из Франции и Великобритании под руководством Эммануэля Дорми (E. Dormy) из Высшей нормальной школы Парижа решили определить минимальные необходимые условия, необходимые для формирования глаза в атмосферном вихре. Для этого они рассмотрели чисто гидродинамическую систему, в которой вихревое движение текучей среды определяется вязкостью и температурой системы. С помощью численного моделирования такие системы впервые удалось исследовать количественно для атмосферных систем с размерами, соответствующим реальным тропическим циклонам.
Движение потоков внутри циклона моделировалось как радиально-симметричный вихрь. При этом нагревание нижней части системы приводит к образованию вертикальных восходящих потоков внутри вихря. Так как целью работы было определение минимальных условий, необходимых для образования глаза, то все течения считались ламинарными, поток — установившимся, а конвекция была рассчитана в рамках линейного приближения Буссинеска. Влияние динамических и турбулентных эффектов в рамках работы не рассматривались.
Картины линий тока внутри циклонного вихря при различных параметрах
L. Oruba et al./ Physical Review Fluids, 2018
С помощью численного моделирования авторы изучили, как меняется поведение системы в зависимости от ее размера, вязкости воздуха, температурного градиента и скорости вращения. Оказалось, что условия, при которых возможно формирование глаза, в первую очередь определяется двумя безразмерными критериями: числом Рейнольдса, которое определяет отношение инерционных сил к вязким, и числом Россби, характеризующим отношение инерционных сил к силе Кориолиса. Некоторые другие параметры, в частности, коэффициент теплопроводности среды, тоже оказывают влияние на процесс формирования глаза циклона, но их эффект вторичен и не настолько заметен.
Карта радиальных срезов азимутальной скорости (a), углового момента (b) и температуры (c) внутри циклонного вихря, полученные с помощью моделирования
L. Oruba et al./ Physical Review Fluids, 2018
Таким образом ученые смогли показать, что образование глаза циклона может происходить по достаточно простым гидродинамическим механизмам, хотя ранее считалось, что для этого необходим учет турбулентных потоков и неоднородности влажности среды. Тем не менее, совсем упрощенные гидродинамические модели, которые также предлагались ранее и ограничивали условия формирования глаза циклона только числом Рейнольдса, тоже не могут описать процесс достаточно точно.
Образование циклонов характерно не только для атмосферы Земли. Подобные вихревые структуры могут формироваться и на других планетах. Например, на Юпитере было обнаружено большое количество циклонных вихрей, диаметр некоторых их которых достигает 7 тысяч километров.
Появилось видео из глаза урагана «Дориан»
Новости партнеров
Национальное управление океанических и атмосферных исследований (США) опубликовало видео с борта самолета погодной разведки, пролетающего через глаз урагана «Дориан».
Глаз бури – область прояснения и относительно тихой погоды в центре тропического циклона. Его типичный диаметр от 20 до 30 километров, в редких случаях – до 60 километров. В этом пространстве воздух имеет большую температуру и меньшую влажность по сравнению с окружающей его областью ветра и дождевых облаков.
Стена ветра и ливня служит изолятором для очень сухого и более теплого воздуха, опускающегося в центр циклона из верхних слоев. По периферии глаза урагана часть этого воздуха смешивается с воздухом из облаков и благодаря испарению капель охлаждается, тем самым образуя мощный нисходящий вдоль внутренней стороны облаков каскад относительно холодного воздуха. В это же время в облаках воздух стремительно поднимается.
Вблизи оси вращения уменьшается горизонтальная линейная скорость ветра, что для наблюдателя, при попадании в центр циклона, производит впечатление прекратившейся бури, по контрасту с окружающим пространством.
Ураган «Дориан», сформировавшийся в Атлантическом океане, уже достиг редкой пятой, высшей категории, максимальная скорость ветра составляет порядка 300 километров в час. Ожидается, что он станет самым мощным за десятилетия. Во Флориде, Джорджии и Южной Каролине власти объявили массовую эвакуацию населения. Режим чрезвычайной ситуации объявлен в штате Северная Каролина – на время урагана в ряде округов закрыты школы и госучреждения.