Когда облачный шлейф из льда и водяного пара поднимается над вершиной сильной грозы, есть большая вероятность, что сильный торнадо, сильный ветер или крупный град, вскоре появятся внизу.
Новое исследование ученых Стэнфордского университета раскрывает физический механизм этих шлейфов, которые образуются над большинством самых разрушительных торнадо в мире. Исследование было проведено после того, как среди остатков урагана Ида разразились грозы и торнадо, усугубив разрушения, вызванные рекордными осадками и наводнениями в США. Понимание того, как и почему шлейфы формируются над мощными грозами, может помочь синоптикам предсказать надвигающиеся опасные погодные явления.
"Если будет ужасный ураган, мы можем увидеть его из космоса. Но мы не видим торнадо, потому что они спрятаны под вершинами гроз", — говорит Морган О"Нил из Стэнфордского университета.
Грозы, вызывающие большинство торнадо, известны как суперячейки, редкая разновидность грозовых облаков с вращающимся восходящим потоком, который может устремляться в небо со скоростью более 240 км в час, с достаточной мощностью, чтобы пробить оболочку в тропосфере Земли, самом нижнем слое земной атмосферы.
В более слабых грозах восходящие потоки влажного воздуха имеют тенденцию сглаживаться и расширяться при достижении этой оболочки, называемой тропопаузой, образуя облако в форме наковальни. Интенсивный восходящий поток суперячейки выталкивает тропопаузу вверх в следующий слой атмосферы, создавая своеобразный купол.
"Это похоже на фонтан, выходящий в следующий слой нашей атмосферы", — говорит О'Нил.
Когда ветры в верхних слоях атмосферы проходят над вершиной грозы и вокруг нее, они иногда поднимают потоки водяного пара и льда, которые устремляются в стратосферу, образуя шлейф. Поднимающийся воздух в куполе вскоре возвращается в тропосферу, как мяч, который ускоряется вниз после того, как взлетел вверх. В то же время воздух проходит над куполом в стратосфере, а затем устремляется вниз.
Используя компьютерное моделирование идеальной суперячейки, О"Нил и его коллеги обнаружили, что это вызывает торнадо в тропопаузе, где скорость ветра превышает 380 км в час.
"Сухой воздух, спускающийся из стратосферы, и влажный воздух, поднимающийся из тропосферы, соединяются в этой очень узкой, быстрой струе. Струя становится нестабильной, все перемешивается и взрывается турбулентностью", — говорит О'Нил. "Такие скорости на вершине торнадо никогда ранее не наблюдались и не предполагалось, что они могут быть".
Суперячейка — это грозовое облако, характеризующееся наличием мезоциклона: глубокого, постоянно вращающегося восходящего потока. По этой причине эти грозы иногда называют вращающимися грозами. Суперячейки являются наименее распространенными и потенциально могут быть самыми сильными. Суперячейки часто изолированы от других гроз и могут влиять на местную погоду на расстоянии до 32 километров. Обычно они длятся 2–4 часа. Суперячейки часто делятся на три типа: классическая (нормальный уровень осадков), с низким уровнем осадков (LP) и с высоким уровнем осадков (HP). Суперячейки LP обычно находятся в более засушливом климате, а суперячейки HP чаще всего встречаются во влажном климате. Суперячейки могут возникать в любой точке мира, но они наиболее распространены на Великих равнинах Соединенных Штатов в районе, известном как Аллея торнадо. Большое количество суперячеек наблюдается во многих частях Европы, а также в Коридоре торнадо в Аргентине, Уругвае и на юге Бразилии.
Новое моделирование предполагает, что взрыв турбулентности в атмосфере, сопровождающий бури, появляется с помощью явления, называемого гидравлическим прыжком. Тот же механизм действует, когда порывистый ветер обрушивается на горы и создает турбулентность на спуске, или, когда вода, плавно движущаяся вниз по водосбросу плотины, внезапно превращается в пену при соединении с медленно движущейся водой внизу.
Новое моделирование предполагает, что гидравлический прыжок также может быть вызван жидкими препятствиями в атмосфере. Ученые предполагают, что начало прыжка совпадает с быстрой закачкой водяного пара в стратосферу, со скоростью более 7000 килограммов в секунду. Вода может оставаться там в течение нескольких дней или недель, потенциально влияя на количество и качество солнечного света, который достигает Земли, за счет разрушения озона в стратосфере и нагревания поверхности планеты.
"В наших симуляциях, которые демонстрируют шлейфы, вода проникает глубоко в стратосферу, где она, возможно, может иметь более долгосрочное воздействие на климат", — говорят ученые.
Благодаря исследовательским аппаратам NASA ученые теперь могут проверить результаты своего моделирования, чтобы убедится в их реалистичности.