Міністерство освіти

Російської Федерації

Саратовский Державний університет

імені Н.Г. Чернишевського

Реферат на тему:

Смерч

Виконав студент

2 курсу, групи фізичної географії географічного факультету

Аникин Ілля

Саратов 2001

Смерч - одне з жорстоких, руйнівних явищ природи. На думку
В.В. Кушина, смерч - це не вітер, а скручений у тонкостінну трубу
«Хобот» дощу, що обертається навколо осі зі швидкістю 300-500 км/ч. Зарахунок відцентрових сил усередині труби створюється розрядження, і тиск падаєдо 0,3 атм. Якщо стінка «хобота» лійки рветься, наткнувшись наперешкода, то усередину воронки вривається зовнішнє повітря. Перепад тисків
0,5 атм. розганяє вторинний повітряний потік до швидкостей 330 м/с (1200км/ч) і більше, тобто до надзвукових швидкостей. Смерчі утворюються принестійкому стані атмосфери, коли повітря у верхніх шарах дужехолодний, а в нижніх теплий. Відбувається інтенсивний повітрообмін,супроводжується утворенням вихору величезної сили.

Виникають такі вихори в потужних грозових хмарах і часто супроводжуютьсягрозою, дощем, градом. Очевидно, не можна сказати, що смерчі виникають укожному грозовий хмарі. Як правело, це відбувається на межі фронтів - вперехідній зоні між теплою і холодною повітряними масами. Прогнозуватисмерчі поки не вдається, і тому їх поява буває несподіваним.

Смерч живе недовго, тому що досить скоро холодна і теплаповітряні маси перемішуються, і таким чином підтримує його причиназникає. Однак навіть за нетривалий період свого життя смерч можезробити величезні руйнування.

Фізична природа смерчу дуже різноманітна. З точки зору фізика -метеоролога - це скручений дощ, невідома раніше форма існуванняопадів. Для фізика-механіка - це незвичайна форма вихору, а саме:двошаровий вихор з повітряно-водяними стінками і різким розходженням швидкостейі щільності обох шарів. Для фізика-теплотехніка смерч - це гігантськагравітаційно-теплова машина величезної потужності; в ній потужні повітряніпотоки створюються і підтримуються за рахунок теплоти фазового переходу вода -лід, яка виділяється водою, захопленої смерчем з будь-якого природноговодойми, коли вона потрапляє у верхні шари тропосфери.

Досі смерч не поспішає розкривати й інші свої таємниці. Так, немаєвідповідей на багато питань. Що являє собою воронка смерчу? Щонадає її стінок сильне обертання і величезну руйнівну силу? Чомусмерч стійкий?

Досліджувати смерч не просто важко, а й небезпечно - при безпосередньомуконтакті він знищує не тільки вимірювальну апаратуру, а йспостерігача.

Зіставляючи опису смерчів (торнадо) минулого і нинішнього століть в
Росії та інших країнах, можна бачити, що вони розвиваються і живуть заоднаковим законам, але ці закони до кінця не з'ясовані і поведінка смерчуздається непередбачуваним.

Під час проходження смерчів природно всі ховаються, біжать, і людямне до спостережень, а тим більше вимірів параметрів смерчів. Те небагато що провнутрішню будову лійки, що вдалося дізнатися, пов'язано з тим, що смерч,відриваючись від землі, проходив над головами людей, і тоді можна було бачити,що смерч являє собою величезний порожнистий циліндр, яскраво освітленийусередині блиском блискавок. Зсередини лунає оглушливий ревіння і дзижчання.
Вважається, що швидкість вітру в стінках смерчу доходить до звукової.

Нечисленні статистичні дані, які відомі про смерчах,зведені в таблиці.

Орієнтовні параметри смерчів

| Вимірювана величина | Мінімальна | Максимальна |
| | Значення | значення |
| Висота видимої частини смерчу | 10-100 м | 1,5-2 км |
| Діаметр у землі | 1-10 м | 1,5-2 км |
| Діаметр у хмари | 1 км | 1,5-2 км |
| Лінійна швидкість стінок | 20-30 м/с | 100-300 м/с |
| Товщина стінок | 3 м | - |
| Пікова потужність за 100 з | 30 ГВт | - |
| Загальна тривалість існування | 1-10 хв | 5 год. |
| Шлях | 10-100 м | 500 км |
| Площа руйнування | 10-100 м2 | 400 км2 |
| Максимальна маса піднятих | - | 300 т |
| предметів | | |
| Швидкість переміщення | 0 | 150 км/ч |
| Тиск всередині смерчу | <0,4-0,5 атм | - |

Теорія смерчу була розроблена на підставі достовірного твердження,що воронка смерчу завжди приходить на землю зверху, а «ослабнувши», зновупіднімається вгору. Значить вага воронки повинен бути більше ваги витісненогонею повітря, тобто за законом Архімеда вона буде «падати». Найважче повітря ватмосфері може бути тільки повітря, насичений водою і/або льодом. Томуправдоподібним буде припущення, що воронка смерчу являє собоюобертовий потік дощу та граду, згорнутий в спіраль у вигляді щодотонкої стінки. Вміст води в стінках лійки має за масою в багаторазів перевершувати зміст там повітря. Якщо щільність сухого повітрястановить 1,3-1,4 кг/м 3, то щільність повітря, що містить воду і лідусередині стінок смерчу, може становити 50 і більше кг/м3.

Якщо воронка смерчу володіє масивними стінками, то їх обертанняповинно приводити до розширення воронки і зниження тиску повітря всерединінеї з-за дії відцентрових сил. Розширення воронки відбувається до тихпір, поки перепад тиску зовні і всередині не врівноважить діївідцентрових сил. Якщо виділити із стінки майданчик S, то зовні на неїбуде діяти сила (p (S. Рівновага з відцентровими силами наступить приумови: (p (S = mv2/R, де m - маса, що припадає на одиницю площі стінки;v - швидкість стінки; R - радіус воронки.

Наведене, майже очевидне, умова рівноваги стінки воронкипризводить до низки прямих наслідків, які природно пояснюють багатовластивості смерчів.

Смерч може всмоктати і підняти вгору велику порцію снігу, піску та ін
Як тільки швидкість сніжинок або піщинок досягає критичного значення,вони будуть викинуті через стінку назовні і можуть утворити навколо смерчусвоєрідний футляр або чохол. Характерною особливістю цього футляра-чохлає те, що відстань від нього до стінки смерчу по всій висотіприблизно однаково: воно визначається швидкістю, яка у всіх часток зоднаковою щільністю виявляється однаковою. Важливий окремий випадок, колищільність тіла, що потрапив у смерч, близька до щільності стінки воронки. Уцьому випадку рівноважна швидкість для тіла збігається зі швидкістю стінки.
Якщо тіло потрапляє на внутрішню поверхню стінки, то на нього дієповітряний вихор, що обертається усередині воронки, швидкість тіла зростає істане більше рівноважної. Тіло зміститься до зовнішньої поверхні стінки.
Тут під дією тертя про зовнішнє повітря тіло загальмується, швидкістьстане менше рівноважної, і тіло знову зміститься до внутрішньої поверхністінки. Тому тіла з щільністю стінки виявляються стійкими всерединістінок. Таким чином зовнішній і внутрішній поверхневі шари виявляються вабсолютно незвичайних умовах, за яких на них безперервно діютьсили, які прагнуть прибрати їх з поверхні і «заглубіть» всередину стінки, тобтосили, які за своїми властивостями нагадують сили поверхневого натягу.
Ці сили надають стінках смерчу підвищену стійкість до збурень,роблять їх однорідними по щільності, гладкими, чітко обмеженими.

Розглянемо в першому наближенні процеси, що виникають в грозовиххмарах. Обильная волога, яка потрапляє в хмару з нижніх шарів, виділяєбагато тепла, і хмара стає нестійким. У ньому виникаютьстрімкі висхідні потоки теплого повітря, які виносять масивологи на висоту 12-15 км, і такі ж стрімкі холодні спадніпотоки, які падають вниз під вагою утворилися мас дощу іграду, сильно охолоджених у верхніх шарах тропосфери. Потужність цих потоківособливо велика через те, що одночасно виникають два потоки:висхідний і спадний. З одного боку, вони не відчувають опорунавколишнього середовища, тому що об'єм повітря, що йде вгору, дорівнює обсягу повітря,що йде вниз. З іншого боку, витрати енергії потоком на підйом водивгору повністю заповнюється при падінні її вниз. Тому потоки маютьможливість розганяти себе до величезних швидкостей (100 м/с і більше).

В останні роки була виявлена ще одна можливість підйому великихмас води у верхні шари тропосфери. Часто при зіткненні повітряних масвідбувається утворення вихорів, які за свої відносно невеликірозміри отримали назву мезоциклон. Мезоциклон захоплює шар повітряна висоті від 1-2 км до 8-10 км, має діаметр 8-10 км і обертається навколовертикальної осі зі швидкістю 40-50 м/с. Існування мезоциклонустановлено вірогідно, структура їх досліджена досить докладно.
Виявлено, що в мезоциклон на осі виникає потужна тяга, якавикидає повітря на висоти до 8-10 км і вище. Спостерігачами буловиявлено, що саме в мезоциклон іноді зароджується смерч.

Найбільш сприятлива обстановка для зародження воронки виконуєтьсяза трьох умов. По-перше, мезоциклон повинен бути утворений зсухих холодних мас повітря. У цьому випадку за його висоті виникає особливовеликий температурний градієнт, близьке до адіабатичному значенням. По -друге, мезоциклон повинен вийти в район, де в приземному шарі товщиною 1-2км накопичилося багато вологи при високій температурі повітря 25-35оС, тобтостворено стан нестійкості приземного шару, готового до утворенняосередків з висхідними і спадними потоками. Проходячи над цими районами, закороткий час мезоциклон засмоктує в себе вологу з великих просторів ізакидає її на висоту 10-15 км. Температура всередині мезоциклон по всійвисоті стрибком підвищується за рахунок принесеного вологою тепла, накопиченогоне тільки насиченим паром, але і водяними краплями. Третя умова - цевикидання мас дощу та граду. Виконання цієї умови призводить дозменшення діаметра потоку від первинного значення 5-10 км до 1-2 км ізбільшення швидкості від 30-40 м/с у верхній частині мезоциклон до 100-120 м/с
- В нижній частині.
Для того, щоб мати уявлення про наслідки смерчів, коротко дамоопис московського смерчу 1904 і іванівського - 1984 р.

Над східною частиною Москви 29 червня 1904 пронісся найсильнішийвихор. Його шлях лежав неподалік від трьох московських обсерваторій:
Університетській - в західній частині міста, Межового інституту - у східнійі сільськогосподарській академії - в північно-західній, тому ціннийматеріал зафіксували самописці цих обсерваторій. По карті погоди в 7 годранку цього дня на сході і заході Європи розташовувалися області підвищеноготиску (більше 765 мм рт.ст.). Між ними, переважно на півдні
Європейської частини Росії, перебував циклон з центром між Новозибкові
(Брянська обл.) Та Києвом (751 мм рт.ст.). О 13 год він заглибився до 747 ммрт.ст. і змістився до Новозибкові, а в 21 год - до Смоленська (тиск в центрівпало до 746 мм рт.ст.). Таким чином циклон рухався з ПС на ССЗ. Близько
17 год, під час проходження смерчу через Москву, місто знаходилося на північно -східному фланзі циклону. У наступні дні циклон пішов у Фінську затоку,де викликав бурі на Балтиці. Якщо зупинитися тільки на цьому синоптичноїописі, то причина смерчу виразно не проступає.

Картина дещо прояснюється, якщо провести аналіз розподілутемператур і повітряних мас. Теплий фронт ішов від центру циклону на Калугу,
Заметчіно і Пензи, а холодний фронт - від центру циклону на Курськ, Харків,
Дніпропетровськ і далі на південь. Таким чином циклон мав добре вираженийтеплий сектор з масами теплого вологого повітря при денних температурах
28-32оС. Перед теплим фронтом розташовувався сухий холодне повітря зтемпературою 15-16оС. У самій фронтальній зоні температура трохи вища.
Контраст температур досить великий. Розрахунок показує, що теплий фронтзміщувався на північ зі швидкістю 32-35 км/ч. Освіта московського смерчувідбулося перед теплим фронтом, де за участю тропічного повітря завждистворюється загроза виникнення сильних гроз та шквалів.

У той день була відзначена сильна грозова діяльність у чотирьохрайонах Московської області: у Серпуховсько, Подільському, Московському та
Дмитровському, майже протягом 200 км. Сильні грози з градом і буреюспостерігалися, крім того, в Калузької, Тульської і Ярославської областях.
Починаючи з Серпуховського району, буря перетворилася на ураган. Ураган посиливсяв Подільському районі, де постраждало 48 селищ і були жертви. Самі жстрашні спустошення приніс смерч, що виник на південний схід від Москви врайоні села Бесіди. Ширина грозовий області у південній частині Московськогорайону визначена в 15 км; тут буря рухалася з півдня на північ, а смерчвиник у східній (правою) стороні грозовий смуги.

Смерч на своєму шляху зробив величезні руйнування. Були знищенісела Рязанцева, Капотня, Чагіна; далі ураган налетів на Люблінськугай, вирвав з коренем і зламав до 7 га лісу, потім зруйнував села
Грайвороново, Карачарова і Хохловка, вступив в східну частину Москви,знищив Анненгофскую гай в Лефортово, посаджене ще при цариці Анні
Іоанівна, зірвав дахи будинків в Лефортово, пройшов в Сокільники, де поваливвіковий ліс, попрямував в Лосіноостровскую, де знищив 120 га великоголісу, і розпався в районі Митищах. Далі смерчу не було, і відзначена тількисильна буря. Довжина шляху смерчу - близько 40 км, ширина весь час коливаласявід 100 до 700 м.

За зовнішнім виглядом вихор являв собою стовп, широкий внизу,поступово звужується у вигляді конуса і знову розширювався в хмарах; вінших місцях іноді він брав вигляд просто чорного крутиться стовпа.
Багато очевидці приймали його за що піднімається чорний дим від пожежі. У тихмісцях, де смерч проходив через Москва-ріку, він захоплював стільки води,що оголювалися русло.

Серед маси повалених дерев та загального хаосу місцями вдалосявиявити деяку послідовність: так, поблизу Любліно лежали триправильно розташовані ряду берез: північний вітер повалив нижній ряд, надним ліг другий, звалений східним вітром, а верхній ряд впав при південномувітрі. Отже, це ознака вихрового руху. При проходженнісмерчу з півдня на північ він захопив цю ділянку правою стороною, судячи ззміні вітру, і обертання у нього було циклональний, тобто проти годинниковоїстрілки, якщо дивитися зверху. Вертикальна складова вихору буланадзвичайно велика. Зірвані дахи будинків летіли в повітрі, як шматкипаперу. Були навіть зруйновані кам'яні стіни. У Карачарова знесена половинадзвіниці. Вихор супроводжувався страшним гулом; його руйнівна роботатривала від 30 с до 1-2 хв. Тріск валівшіхся дерев заглушувався ревомвихору.

У деяких місцях завихрення руху повітря чітко видно похарактеру бурелому, але в більшості випадків повалені дерева навіть наневеликих просторах лежали у всіляких напрямках. Картинаруйнувань московського смерчу виявилася дуже складною. Аналіз його слідівпримусив вважати, що 29 червня 1904 через Москву промчали кількасмерчів. У всякому випадку за характером руйнувань можна відзначитиіснування двох воронок, один з яких рухалася в напрямку Любліно
- Рогожская застава - Лефортово - Сокольники - Лосіноостровская-Митищі, адругий - Бесіди - Грайвороново - Карачарова - Ізмайлово - Черкізово. Ширинашляху обох воронок була від ста до тисячі метрів, але межі шляхів буличіткими. Будови на відстані декількох десятків метрів від кордонів шляхузалишалися недоторканими.

А ті, що явища також характерні для сильних смерчів. Колинасувалася воронка, ставало зовсім темно. Темряві супроводжувавстрашний шум, рев і свист. Зафіксовано електричні явищанезвичайною інтенсивності. Через часті розрядів блискавок загинуло двілюдини, кілька отримали опіки, виникали пожежі. У Сокільникахспостерігалася кульова блискавка. Дощ та град також мали незвичайнуінтенсивність. Градини з куряче яйце відзначалися неодноразово. Окреміградини мали форму зірки і важили 400-600 г.

Особливо велика руйнівна сила смерчів в садах, парках та лісах.
Ось що писав "Московський листок" (1904, № 170). У Черкизове "... раптом чорнехмара абсолютно опустилося на землю і непроникною пеленою закриломитрополичий сад і гай. Все це супроводжувалося страшним шумом і свистом,ударами грому і безперервним тріском падаючого великого граду. Пролунавгучний удар, і на терасу впала величезна липа. Падіння її булонадзвичайно дивно, так як вона потрапила на терасу через вікно і товстимкінцем вперед. Ураган перекинув її в повітрі на 100 м. Особливопостраждала гай. У три-чотири хвилини вона перетворилася на по?? яну, суцільновкриту уламками величезних беріз, місцями з коренем вирвані з землі, ізакинутих на значні відстані. Цегляна огорожа навколо гаїзруйнована, причому деякі цеглини відкинуті на кілька сажнів ".

Список використаної літератури

1. Сноу Д.Т. Торнадо// Світ науки, 1984, № 6. С.44-54.

2. Наливкіна Д.В. Смерчі. М.: Наука, 1984.

3. Кушин В.В. Смерч. М.: Энергоатомиздат, 1993. 127 с.

4. Железовскій Б. Хрестоматія з природознавства. - Саратов: Регіон.

Приволжжя. изд-во «Дитяча книга», 1995. - 352 с.