Смерч зарождается из материнского, или, ещё говорят, смерчевого, облака, спускается вниз до земли в виде длинного хобота, внутри которого быстро вращается воздух. Средние размеры облака — примерно 4–5 км в высоту и 5–10 км в поперечнике. Длина «хобота», или, иначе, столба, составляет обычно несколько сот метров.
Давление во внутренней полости смерча, как показали многочисленные наблюдения и измерения, сильно понижено. Поэтому, когда она соприкасается с домом с запертыми дверями и закрытыми окнами, дом тот буквально взрывается от перепада давления.
До сих пор остаётся невыясненным, почему столб имеет плотную, резко очерченную внешнюю границу, подобно упругой стене. А ведь именно этой особенностью объясняются некоторые специфические проявления торнадо.
В Канзасе 9 октября 1913 года смерч прошёл по небольшому саду. Вырвал с корнем крупную яблоню и разорвал её на куски. В метре от яблони стоял улей с пчёлами — он остался невредим.
В штате Оклахома смерч унёс двухэтажный деревянный дом вместе с семьёй фермера. Жилище развалилось, люди погибли. В дом вела трёхступенчатая лестница, рядом с ней была прислонена к стене скамейка. И та и другая остались на месте. Мало того, недалеко от лестницы стоял старенький «форд», а под деревом на столе — горевшая керосиновая лампа. У машины смерч вырвал два задних колеса, но кузов не тронул. Лампа же продолжала гореть.
В 1904 году смерч обрушился на Москву, неся большие разрушения. Но если верить газетным репортёрам, он сумел перенести живым и невредимым мальчика на 10 километров. Между прочим, очевидцев поразила поистине библейская картина: смерч, пересекая Москву-реку, высасывал воду до самого дна, та не успевала смыкаться, и какое-то время в ней сохранялась траншея.
Перечисление зафиксированных загадочных проявлений смерча заняло бы много места. Поэтому перейдём к вопросу — что мы знаем о нём?
Механизм образования материнского облака в принципе известен. Почему из него начинает опускаться хобот, можно объяснить разной плотностью облака и окружающего воздуха. А как понять, что вращение передаётся по всему хоботу, будто это не воздушный столб, а резиновый шланг? Заметим, если сам смерч, как цельное образование, двигается сравнительно медленно — в среднем 40–60 км/ч, то образующие его воздушные массы вращаются несравнимо быстрее. Прямые инструментальные измерения, проведённые в последнее время, фиксируют скорость 500 км/ч. При этом возникает давление более 1 т/кв. м. Однако отверстия без трещин, пробитые галькой в стекле, стволы деревьев, проткнутые щепками, и прочие подобные факты заставляют предполагать, что зачастую скорость внутри смерча значительно выше. Оставался необъяснимым и феномен разрыва скорости на границе быстро вращающегося столба и окружающей его атмосферы. Не было ответа и на вопрос: какими силами поддерживается встречное течение воздуха внутри хобота — по его оси вверх, а на периферии — вниз?
Физическая природа смерча до сих пор не получила исчерпывающего объяснения, однако наиболее убедительно выглядит модель, разработанная В. Кушиным.
Согласно этой модели, смерч — это нижняя часть грозового облака, которая имеет быстрое вращение вокруг вертикальной оси. Сначала вращение видно только в самом облаке, затем часть его отвисает вниз в виде воронки, которая постепенно удлиняется и, наконец, соединяется с землёй в виде громадного хобота, имеющего внутри сильное разрежение.
Внутри воронки смерча воздух разрежен, следовательно, такая воронка может опуститься только в том случае, если её стенки значительно тяжелее воздуха. Если на основании характера разрушений предположить, что разрежение в полости было 0,5 атм., то, как показывают расчёты, у такого смерча плотность стенок должна быть более 7–8 кг/куб. м — в 5–6 раз больше, чем у воздуха. Что же может быть плотнее воздуха в верхних слоях тропосферы, где зарождается смерч и откуда он «сваливается» на землю? Только вода и лёд.
Поэтому воронка смерча есть особая форма существования мощного вращающегося потока дождя и града, свёрнутого в спираль в виде тонкой стенки конической или цилиндрической формы. Содержание воды в стенках воронки по массе должно во много раз превосходить содержание там воздуха.
Если воронка смерча обладает массивными стенками, их вращение должно приводить к расширению воронки и понижению давления воздуха внутри неё из-за действия центробежных сил. Расширение происходит до тех пор, пока перепад давления снаружи и внутри не уравновесит действия центробежных сил.
Воронка присасывается к земной поверхности, сдирая с неё верхний покров и окрашиваясь таким образом в цвет своей «добычи».
Смерч — детище грозового облака. Обильные пары воды, попавшие в облако из нижних слоёв тропосферы, конденсируются и выделяют теплоту конденсации. За счёт этого воздух оказывается теплее и легче окружающего более сухого воздуха, и ввысь устремляется мощный восходящий поток.
Облако становится резко неустойчивым, в нём возникают стремительные восходящие потоки тёплого воздуха, которые выносят массы влаги на высоту 12–15 километров, и столь же стремительные холодные нисходящие потоки, которые обрушиваются вниз под тяжестью образовавшихся масс дождя и града, сильно охлаждённых в верхних слоях тропосферы.
Иногда грозовое облако образуется в результате «косого» столкновения тёплого и холодного воздушных потоков, в результате чего оно приобретает вращение вокруг вертикальной оси. В таком облаке восходящие и нисходящие потоки направлены не по вертикали, а закручены вокруг общей вертикальной оси, формируя особый двухслойный вихрь высотой 12–15 километров и диаметром 3–5 километров, так называемый мезоциклон. Более холодный и потому более плотный нисходящий поток, пропитанный дождём и градом, образует внешний слой вихря, а восходящий тёплый влажный поток размещается внутри него и вращается в ту же сторону, что и внешний слой.
При столкновении с препятствием кромка воронки рвётся и скорость её вращения резко возрастает. Внутри воронки создаётся такое разрежение, что она в состоянии поднять на большую высоту воду непосредственно с поверхности земли. Если вода, попав в материнское облако, будет превращаться в град, то процесс захвата воды может стать неудержимым, катастрофическим: чем больше будет поднято воды, тем больше выделится тепла, тем более мощным будет поток восходящего воздуха и т. д.
Достаточно всего 200–300 г воды на 1 куб. м воздуха, чтобы из-за выделения теплоты перехода «вода—лёд» температура воздуха внутри воронки не падала ниже 0 °C даже на высоте 12–15 километров, где мороз достигает 60 °C. Резкий перепад температур снаружи и внутри смерча и создаёт ту силу, которая поддерживает восходящий и нисходящий потоки в смерче. В результате смерч самостоятельно, теперь уже независимо от ресурсов материнского облака, снабжает себя водой, которая ему необходима и для компенсации энергетических затрат, и для восполнения её убыли из стенок. Более того, смерч часто сам создаёт над собой новое облако, которое в дальнейшем сопутствует ему, были бы только на пути речки, озёра, болота.
Какой же практический результат могут дать наши знания об «анатомии» смерча? Помогут ли они избежать создаваемых им опасностей?
Поскольку материальным и энергетическим источником смерча выступает материнское облако, то его уничтожение предотвратило бы и возникновение разрушительного хобота. Это можно осуществить, обработав облако специальным реагентом, вызывающим конденсацию влаги и выпадение дождя. Подобные операции не редкость, например расстрел туч с самолёта. Сейчас, чтобы избежать нежелательного града над полями или садами, а раньше — нередко и для того, чтобы диктор по радио и ТВ лишний раз подчеркнул: «…будто сама природа решила встретить праздник доброй солнечной улыбкой». Но такой метод обходится недёшево. К тому же неизвестно, какое облако грозит стать смерчевым, а какое — нет, и разгонять тучи в небе придётся вхолостую.
Думается, более рационально ликвидировать смерч уже после его зарождения. Место примыкания столба к облаку, если так можно сказать, — наиболее нагруженная часть конструкции смерча. Через неё крутящий момент передаётся от облака хоботу. Её разрушение приведёт к распаду опасного вихря. Изменив равновесие между центробежными силами, действующими из-за вращения столба на его стенки, и центростремительными — из-за пониженного давления в середине, мы оторвём хобот от облака. Для этого достаточно произвести в верхней части столба взрыв или сжечь некоторый объём топлива. Причём мину, которая разрушит смерч, сам же он благодаря своей всасывающей способности и доставит к месту назначения.
Возможно, теория смерча может послужить созданию новых типов пылесосов, погрузочно-разгрузочных устройств для сыпучих материалов, хлопкоуборочных машин и тому подобной техники. Интересно также использование модели смерча в проектах электростанций, работающих за счёт упорядоченного перемещения тёплого приземного воздуха в более холодные слои атмосферы.
Смерч зарождается из материнского, или, ещё говорят, смерчевого, облака, спускается вниз до земли в виде длинного хобота, внутри которого быстро вращается воздух. Средние размеры облака — примерно 4–5 км в высоту и 5–10 км в поперечнике. Длина «хобота», или, иначе, столба, составляет обычно несколько сот метров.