Trąby powietrzne i cyklony tropikalne

Trąby powietrzne

Trąba powietrzna jest wirem atmosferycznym o małej średnicy, lecz wyjątkowo dużej sile. Wir ten o pionowej osi umiejscawia się u podstawy chmury burzowej Cb. Ma przeważnie kształt lejka złączonego szerszym końcem z chmurą. Dolna jego część w postaci trąby może sięgać podłoża. Jeśli dochodzi do powierzchni wody, nosi nazwę trąby wodnej. Przeciętna jej średnica wynosi 200-250 m, chociaż czasami sięga ponad2000 m. Wirujące w trąbie powietrze osiąga ogromną prędkość, przekraczającą niekiedy 400 km/h. Cały układ obraca się w kierunku przeciwnym ruchowi wskazówek zegara. W europie trąby powietrzne występują niezmiernie rzadko. Najczęściej są odnotowywane w środkowych stanach USA oraz Australii. W Ameryce nazwano je tornadami.
Obszar, nad którym często pojawiają się silne tornada, to środkowe rejony Stanów Zjednoczonych, zwłaszcza pas od stanu Kansas do stanu Indiana. Rocznie występuje tam około 150 trąb powietrznych. Rekordową ich liczbę odnotowano 19 lutego 1894 r. - ponad 60.
Trąba powietrzna rozwija się najczęściej z nisko leżącej podstawy chmury burzowej Cb, której towarzyszy zjawisko mamma. Początkowo lej tornada przypomina wirujący wisiorek, który zwęża się ku dołowi. Podczas tego zjawiska można usłyszeć szczególny dźwięk, spowodowany falami akustycznymi, związanymi z silnym gradientem wiatru. Gdy taki układ cyrkulacyjny osiągnie podłoże, powoduje olbrzymie szkody. Na ogół niszczy pas szerokości około 300 m i długości 3-7 km.
Tornado nie zawsze bywa tragiczne w skutkach. Przykładem może być przypadek odnotowany w maju 1986 r. we wschodnich Chinach. Silne wiry powietrzne uniosły w górę 13 dzieci, przeniosły je na znaczną odległość, po czym łagodnie opuściły na piaszczyste wydmy i zarośla.
Intensywność tornada ocenia się, biorąc pod uwagę prędkość wiatru, którą wzbudza. W tym celu korzysta się z 6-stopniowej skali opracowanej przez Tetsuya Fujita.

Źródłem niszczycielskiej siły są:
- Gwałtowne zmiany siły wiatru, którego prędkość dochodzi najprawdopodobniej do 180 mxs-1 (jakiekolwiek obserwacje instrumentalne są nierealne ze względu na destrukcyjną siłę trąb);
- Nagły spadek ciśnienia w środku wiru, nawet od 200 hPa, doprowadzający do dużej różnicy ciśnienia między wnętrzem budynków, a ich otoczeniem, który powoduje, że normalne ciśnienie w pomieszczeniu rozsadza je od środka jak przy eksplozji;
- Silne zasysanie skierowane ku górze, związane z pionową prędkością niespotykaną w zwykłej chmurze burzowej.
Dopełnieniem zniszczeń jest rozrzucenie po okolicy unoszonych przedmiotów (rumowisk) przez wirujący słup powietrza na skutek siły odśrodkowej.
Ze względu na pionowe pulsacje trąby (opadanie i podnoszenie) wysuwa się teorie, że mechanizm powstania tego zjawiska musi znajdować się wyżej niż u podstawy chmury Cb. Przypuszczalnie tornada tworzą się w środkowych partiach chmury, w której zaznaczają się silne prądy wstępujące, duża turbulencja, a także znaczne zmiany kierunku i prędkości wiatru. Prądy pionowe tworzą w chmurze "rdzeń" o pionowej osi. Na półkuli północnej trąba umiejscawia się głównie po prawej stronie chmury (patrząc w kierunku jej ruchu), chociaż czasem obserwuje się jednocześnie kilka lejów wychodzących z jej podstawy. Silne rozrzedzenie powietrza wewnątrz trąby prowadzi do jego ochłodzenia i kondensacji pary wodnej. Dzięki temu pionowy wir kształtuje się w postaci słupa zwisającego z chmury.
Przyczyn powstawania trąb nie udało się do końca wyjaśnić. Niektórzy badacze atmosfery uważają, że aby mogło dojść do powstania tornada, musi być spełnionych jednocześnie aż ponad 20 różnych warunków. Poza dyskusją jest tylko to, że tornada rozwijają się w strefach kontaktu ciepłych i wilgotnych mas powietrznych z masami chłodnymi.


Cyklony tropikalne
Są to głębokie niże powstające w szerokościach międzyzwrotnikowych. Wyróżniają się dużymi wartościami gradientów ciśnienia i w związku z tym przynoszą wiatry o wyjątkowej sile oraz ulewne deszcze. Jeśli prędkość wiatru osiąga 120 km/h, noszą nazwę huraganów. Nazwy huraganu używa się w rejonie Antyli oraz w Ameryce Środkowej i Północnej. W Indiach noszą nazwę cyklonów, natomiast na wybrzeżach wschodniej i południowo-wschodniej Azji określane są jako tajfuny. Mimo, że nie występują zbyt często (przeciętnie 40-50 razy w roku), to każde pojawienie się cyklonu jest powszechnie odnotowywane w środkach przekazu jako szczególne zjawisko, o trudno przewidywalnych skutkach (podaje się wtedy prędkość towarzyszących mu wiatrów oraz przypuszczalną trasę przemieszczania).
Cyklony tropikalne to zaburzenia atmosferyczne o wirowym charakterze z pionową osią symetrii, które powstają w zwrotnikowych szerokościach geograficznych. Tworzą się nad obszarami morskimi, których powierzchnia wody ma temperaturę powyżej 27o C i zalega nad nią gruba warstwa ciepłego i wilgotnego powietrza. Nie występują bezpośrednio przy równiku, ale dopiero w pasie powyżej 5o szerokości północnej i południowej prawdopodobnie ze względu na zbyt małą wirowość (brak efektu Coriolisa na równiku). Na mapach synoptycznych cyklon tropikalny jest widoczny jako zagęszczenie prawie kolistych izobar, obejmujących obszar o średnicy 160-650 km, a nieraz znacznie większej. Cyklon tropikalny sięga do wysokości 11-13 km. Ciśnienie atmosferyczne w jego centrum wynosi ok. 950 hPa, ale wielokrotnie notowano ciśnienia niższe nawet od 900 hPa, lecz w przeciwieństwie do układów cyklonalnych pozazwrotnikowych szerokości ciśnienie w centrum cyklonu nie jest jego przyczyną, a tylko skutkiem przepływu wirowego.
Najbardziej typową cechą struktury cyklonu tropikalnego jest jego centrum pozbawione chmur, z bardzo słabym wiatrem, a nawet ciszą, zwane okiem. Ma ono kształt kolisty lub owalny i średnicę 10-60 km. Bezpośrednio do niego przylega strefa najsilniejszych wiatrów.
Stadia rozwoju cyklonów:
Tajfun utrzymuje się na ogół ok. 10-ciu dni, chociaż bywa, że ponad 20. O jego rozwoju decydują pewne stadia.
• Stadium powstawania. Rozpoczyna się, gdy w polu ciśnienia powstaje ośrodek niskiego ciśnienia, a wokół niego powstaje cyrkulacja wirowa o charakterze cyklonalnym. Ciśnienie na tym obszarze wynosi wtedy ok. 1000 hPa, silne prądy wstępujące prowadzą z kolei do powstania wypiętrzonych chmur kłębiastych. Pionowy zasięg tworzącego się cyklonu jest jeszcze wtedy niewielki.
• Stadium dojrzewania. Ma właściwie charakter burzy zwrotnikowej. Ciśnienie szybko spada i w krótkim czasie tworzy się oko cyklonu. Wokół niego powstaje wąski pas o szerokości 40-50 km, charakteryzujący się wiatrami o huraganowych prędkościach - ponad 33 mxs-1. Zwarty układ chmur tworzy wąskie pasma, zbliżające się spiralnie do oka i otaczające je niemal pionową ścianą. Symetrycznie zbudowany cyklon sięga już do wysokości 6-8 km.
• Stadium dojrzałości. Ciśnienie przestaje się obniżać, chociaż wieją nadal huraganowe wiatry, które stopniowo słabną. Obszar objęty cyklonem rozszerza się do największych rozmiarów. Zanika symetria całego układu - strefa najgorszej pogody jest, względem kierunku ruchu, większa po prawej niż po lewej stronie (na półkuli południowej odwrotnie). W tym stadium cyklon sięga aż do tropopauzy.
• Stadium zanikania. Kiedy już tajfun dostanie się nad ląd albo przemieści się nad oceanem ku wyższym szerokościom geograficznym i znajdzie się nad chłodniejszą powierzchnią wody, maleje jego intensywność, zanika oko huraganu i symetryczna budowa układu. Na 20-30o zmienia swój kierunek na wyraźnie południkowy i kieruje się w stronę wyższych szerokości geograficznych. Dociera do strefy umiarkowanej i przekształca się zwykle w głęboki ośrodek niżowy umiarkowanych szerokości geograficznych.
Huragany powstają przede wszystkim u wybrzeży Afryki w okolicy Zielonego Przylądka i stamtąd przez Atlantyk zmierzają ku wybrzeżom Stanów Zjednoczonych, następnie zmieniają swój kierunek na północno-wschodni i przemieszczają się dalej ku Europie i Azji. Niektóre z nich docierają nawet na Syberię.


Cyklony tropikalne - geneza i struktura
Cyklony mają skomplikowaną naturę, o czym świadczy fakt, że tylko co dziesiąty przypadek okoliczności sprzyjających powstaniu cyklonu doprowadza do jego utworzenia. Opinie na temat ich genezy nie są w pełni zgodne. Uczeni podkreślają rolę trzech procesów biorących udział w tworzeniu struktury tajfunu. Są to: procesy konwekcyjne, ścieranie się różnych mas powietrza oraz oddziaływanie wyższych warstw troposfery. Dołem do środka układu cyklonalnego napływa wilgotne powietrze, które unosi się, a nastepnie w górze jest odprowadzane na zewnątrz. W fazie początkowej ruch ten odchyla siła Coriolisa, inicjując wirowe zakłócenie. Na dominującą rolę konwekcji i otaczanie oka cyklonu zwartą ścianą potężnych chmur Cumulonimbus niezbity dowód stanowią silnie wypiętrzone chmury i gwałtowne opady. W samym oku z kolei ruchy zstępujące nie dopuszczają do powstawania chmur. Duży spadek ciśnienia w oku cyklonu teoria konwekcyjna tłumaczy działaniem siły odśrodkowej wirującego powietrza, która wyrzuca je na zewnątrz. Jednocześnie w warstwach dolnych dopływ jest na tyle skąpy, że nie kompensuje ubytku w całości. Wznoszące się nad nagrzanym oceanem powietrze według teorii frontowej musi dostać się do wyższych szerokości geograficznych, gdzie zaczyna oddziaływać siła Coriolisa, zmuszająca masy powietrzne do ruchu po spirali wokół zawirowania. Warunki takie istnieją w przemieszczającym się po obu stronach równika pasie zbieżności (konwergencji) pasatów, zwanej niekiedy frontem tropikalnym. Za teorią tą przemawia fakt, że w niskich szerokościach geograficznych Atlantyku i Pacyfiku, gdzie front ten nie występuje, nie dochodzi również do powstania wirów cyklonalnych. W tworzeniu tajfunów istotną rolę mogą odgrywać wyższe warstwy troposfery. Gdy w jej środkowej części powstaje fala wschodnia, która przemieszcza się na zachód (w polu ciśnienia) dochodzi do poziomego zafalowania. Ugięcie linii sił pola, dające zatokę falową, przekształca się powoli w wir, który daje początek cyklonowi tropikalnemu.
Mimo, że w strefie przylegającej do oka cyklonu prędkość wiatru jest olbrzymia, cały układ przemieszcza się dość wolno - nie przekracza 25 km/h. Prędkość swoją zwiększa w wyższych szerokościach geograficznych, dokąd zmierza. Na podstawie wieloletnich obserwacji ustalono, że tajfuny poruszają się zwykle po trasie parabolicznej, omijając obszar podwyższonego ciśnienia. Przemieszczają się ze wschodu na zachód trasami przypominającymi pętle, części sinusoidy itp. Nieraz cyklony tropikalne mają bardziej złożoną budowę - składają się z dwóch zawirowań: głównego i wtórnego. Wir główny (o większej średnicy) powstaje nad powierzchniami oceanicznymi w niskich szerokościach geograficznych. Natomiast wir wtórny tworzy się na ogół na południe od wiru głównego wówczas, gdy ten drugi przedostaje się na szlak polarny. Jego średnica nie przekracza 120-150 km.

Warunki sprzyjające formowaniu się cyklonów tropikalnych:
• temperatura powierzchni wody morskiej powyżej 27oC;
• temperatura powietrza nieco niższa od temperatury wody;
• duża ilość pary wodnej w powietrzu;
• obecność zaburzenia tropikalnego, np. fali wschodniej, charakteryzującego się prędkością nie przekraczającą 20 km/h;
• istnienie antycyklonalnej (wyżowej) cyrkulacji powietrza w górnej troposferze nad przyziemnym zaburzeniem;
• słaby gradient pionowy prędkości wiatru, przy na ogół słabych wiatrach w pobliżu poziomu morza.
Oznaki zbliżania się huraganu:
• spadek ciśnienia;
• charakterystyczna zbieżność chmur Ci wskazująca kierunek, z którego nadchodzi cyklon;
• intensywnie purpurowe i fioletowe zabarwienie nieba przy zachodzie Słońca.