Смерчи

СТРОЕНИЕ СМЕРЧА

Смерчи — одно из удивительнейших явлений природы, до сих пор вызывающее большие споры. Особенно неясны причины его образования. Смерч (в Северной Америке он называется торнадо) — это по существу часть грозового облака. Без грозового облака он не возникает. Другая его характерная особенность — быстрое вращение вокруг оси, перпендикулярной к поверхности Земли. Сначала вращение видно только в самом облаке. Затем часть вихревого облака отвисает книзу в виде воронки (фото 1). Воронка все более удлиняется и наконец соединяется с землей. В это время она имеет вид почти цилиндрического громадного столба — колонны или хобота, расширяющегося к облаку и сужающегося к земле. Воронка смерча вращается иногда со сверхзвуковой скоростью. Это вращение, направленное по спирали снизу вверх, служит причиной тех невероятных явлений, которые сопровождают смерчи.

Строение смерча довольно просто. Его воронка состоит из внутренней полости и стенок.

Внутренняя полость в разрушительной деятельности смерча имеет второстепенное значение. Она наполнена воздухом, сравнительно медленно движущимся вниз. Размеры воронки зависят от размеров и формы смерча. Ширина ее обычно колеблется от первых метров до нескольких десятков метров. Высота определяется высотой смерча и достигает нескольких сот метров, реже до 1000–1500 м и более.

Характерная особенность внутренней полости — разреженность воздуха. В ней барометрическое давление резко понижено. По сравнению со стенками и даже с окружающим воздухом она является как бы пустой. Поэтому когда полость соприкасается с каким-нибудь замкнутым предметом, наполненным воздухом с обычным давлением, то предмет взрывается, воздух из него устремляется во внутреннюю полость смерча. Это служит причиной ряда своеобразнейших явлений.

2 апреля 1957 г. жители западной окраины города Даллас (штат Техас) с ужасом наблюдали за громадным черным грозовым облаком, низко ползшим над землей по направлению к городу. Двигалось оно со скоростью товарного поезда — 25–30 км/ч. На его нижней поверхности обособилось небольшое облако странного зеленовато-серого цвета. Отчетливо было видно, как оно быстро вращалось.

Опытные люди сразу закричали: «Берегитесь, будет торнадо». И действительно, скоро нижняя часть вращающегося облака опустилась и из пего образовалась воронка. Она была еще небольшая и не касалась земли. Облако продвинулось вперед, нависло над окраинами города, воронка удлинилась, достигла земли, и в воздух взлетели обломки первого разрушенного дома (фото 3). Пока воронка еще плохо оформилась, средняя часть ее была почти незаметна. Через несколько же минут смерч принял страшную форму и набрал огромную силу. Пыль и мелкие обломки поднялись ввысь, образовав так называемый каскад. Высота каскада уже почти равна половине высоты смерча, и из него сыплются обломки разрушенных строений. Еще немного — и смерч соприкоснулся с пустым деревянным двухэтажным домом, все окна и двери которого были закрыты. Дом буквально разлетелся на мелкие обломки. Такие снимки исключительно редки. После этого смерч надвинулся на самого фотографа и тот поспешно скрылся в погребе.

Смерч 7 июня 1947 г., прошедший через город Шарон в Пенсильвании, был слабее. Дома остались целыми, вылетели лишь рамы со стеклами.

В Соединенных Штатах Америки смерчи в основном (несколько сот ежегодно) проходят по центральным равнинным сельскохозяйственным штатам, т. е. там, где сосредоточено наибольшее количество птицеводческих ферм. Разрушаются тысячи курятников. Нередко стены и крыша курятника исчезают полностью, а куры остаются целы. Такие случаи можно объяснить только взрывом воздуха изнутри. Он уничтожает оболочку курятника, не трогая его середины. Иногда после взрыва куры оставались сидеть на насестах, но были мертвы.

Довольно часто кур находили не только мертвыми, но и лишенными перьев. Сначала это считалось загадкой, однако позже выяснилось, что у кур корни перьев заключены в небольшие воздушные мешочки, находящиеся в коже. Когда эти мешочки соприкасались с внутренней полостью смерча, они взрывались и выбрасывали перья. Однажды 30 полностью ощипанных погибших цыплят обнаружили сидящими рядышком. От курятника, вернее, от его стен и крыши почти ничего не осталось.

Но самыми невероятными, очень редкими были случаи, когда далеко от фермы находили кур, у которых перья исчезли ровно с половины туловища. Как это могло произойти, неясно, если только допустить, что одна половина птицы располагалась во внутренней полости смерча, а другая — в его стенке. Однако это возможно, лишь когда внутренняя поверхность стенки смерча очень плотна и резко отграничена от полости.

В штате Оклахома 9 апреля 1947 г. на ферме в деревянном одноэтажном доме сидели семья фермера и пришедший к ним гость. Вдруг в комнате потемнело и снаружи раздался необыкновенный грохот и шум, как от сотни поездов. Двое мужчин подошли к двери, чтобы узнать, в чем дело. Едва они открыли дверь, как налетевший смерч вырвал дверь у них из рук, подхватил и поднял их в воздух, перенес на несколько десятков метров и плавно опустил на землю. К счастью, они почти не пострадали и сразу бросились назад к дому. Каково же было их удивление, когда никакого дома на месте не оказалось: за несколько минут их полета он взорвался и в виде массы обломков исчез. Поразительно, что пол от дома остался на месте и посреди него на диване невредимые, но совершенно растерянные сидели жена фермера и двое его детей. Однако самое удивительное — рядом с ними на небольшом столике стояла стеклянная керосиновая лампа.

Смерч — страшное явление. Когда он надвигается, все бегут, стараясь укрыться под землей. Поэтому увидеть его внутреннюю полость, оказаться в ней и остаться живым чрезвычайно трудно. Описания ее вида и того, что в ней делается, крайне редки, но все же есть. Они выполнены в то время, когда смерч отрывался от земли и, как бы прыгая, проносился над головами наблюдателей на небольшой высоте.

В 1930 г. в штате Канзас любознательный и храбрый фермер, стоя у входа в погреб, наблюдал за приближением смерча. Смерч был уже близко, и фермер шагнул вниз по лестнице, как вдруг смерч оторвался от земли и пронесся над его головой. Фермер был так поражен прыжком, что забыл броситься вниз по лестнице в погреб и остался стоять на верхней ступеньке. Вот что он писал позже: «Большой лохматый конец воронки повис прямо над моей головой. Кругом все было неподвижно. Из конца воронки шел гудящий, шипящий звук. Я взглянул вверх и, к своему удивлению, увидел само сердце смерча. В его середине была полость диаметром 30–70 м, шедшая кверху на расстояние около километра. Стены полости были образованы вращающимися облаками, а сама она была освещена непрерывным блеском молний, зигзагом перескакивающих с одной стены на другую. Полость была совершенно пустой, и только туманные образования двигались вверх и вниз. Смерч двигался медленно, и у меня было время хорошо увидеть все, внутри и снаружи».

В 1951 г. в Техасе смерч, подходя к наблюдателю, прыгнул, поднялся на 6 м и прошел над его головой. Ширина внутренней полости была около 130 м, толщина стенки— всего 3 м. В середине полости светилось голубым светом прозрачное облако. Стенки быстро вращались; вращение было видно до самого верха и, очевидно, уходило в облако. Когда смерч прошел над головой наблюдателя и снова опустился к земле, то коснулся дома соседа и в одно мгновение смахнул его.

Группа студентов, отдыхавшая в окрестностях города Линкольна в штате Небраска, не обратила внимание на низкое грозовое облако, неожиданно надвинувшееся на них из-за деревьев. Когда они подняли головы, над ними проносился смерч. Все, что они успели рассмотреть, «имело вид громадного пустого цилиндра, ярко освещенного внутри блеском молний. Шум был как от жужжания десяти миллионов пчел, а рев не поддавался описанию». К счастью студентов, этот цилиндр не опустился на них.

Последнее наблюдение было сделано 26 мая 1963 г. около города Оклахома-Сити двумя служащими в радарной станции: «Внешняя сторона воронки была гладкая, непрерывная и определенно круглая в поперечном сечении. В то же время хорошо ограниченной внутренней стены не было, не было и видимых признаков пустого пространства внутри воронки. Вся полость внутри внешней оболочки была наполнена хлопьевидными облаками. Эти хлопья турбулентно двигались и изменялись на фоне правильного вращения всей воронки. Не было видно ни молний, ни свечения. Не было никакого рева, единственный звук — свист бури».

Это описание имеет и сходства и отличия от предыдущих. Основное отличие — неясность внутренней поверхности стенок воронки. Ниже мы увидим, что и наружная поверхность стенок тоже бывает неясной, расплывчатой. Вообще смерчи — это образования весьма изменчивые и разные.

Стенки бывают двух типов. Первый, наиболее распространенный, отличается резко ограниченными, гладкими поверхностями стенок. Образования подобной формы обычно называются смерчами. Сравнительно недавно установлено, что существует вторая группа смерчей, довольно редкая, у которых резко ограниченная наружная поверхность отсутствует. Они представляют низкое, широкое столбообразное облако, которое, медленно двигаясь по земле, одновременно вращается с бешеной скоростью. Разрушительная сила таких смерчей велика. Нередко они приносят гибель людям и огромные материальные убытки, оценивающиеся в десятки, а иногда и сотни миллионов долларов. Такие смерчи очень близки к шквальным бурям в Европе.

Что же является причиной огромной силы смерча? Ответ прост. Смерч состоит из воздуха, наполненного водой и грязью, а разрушения вызываются колоссальной скоростью. Сам по себе воздух, наполненный водой и грязью, не способен причинить вреда, но на большой скорости он уничтожает все на своем пути.

Скорости вращения воронки, точнее, скорости ветра в ее стенках представляют важнейшую особенность смерча. Эти скорости весьма различны и быстро изменяются даже у одной и той же воронки, но самое главное то, что они могут превышать скорость звука, равную 1200 км/ч, или 332 м/с. Это служит причиной ряда своеобразных явлений. Чем больше скорость ветра, тем больше его давление. Кроме того, оно увеличивается вследствие примеси к воздуху воды и грязи (пыли с водой). В результате ни один из существующих аппаратов для измерения скорости ветра такого давления не выдерживает, ломается, а иногда просто бесследно исчезает. Поэтому непосредственные замеры скоростей ветра в смерчах отсутствуют. Однако специалисты по сопротивлению материалов довольно точно высчитали эти скорости по тому, как изгибались и ломались различные предметы.

Далласский смерч 2 апреля 1957 г., пересекая железную дорогу, опрокинул несколько груженых, очень тяжелых товарных вагонов. По их весу и форме определили, что скорость ветра достигала 210–225 км/ч, а порывами — до 350 км/ч. Немного дальше была разрушена громадная и прочная подставка для объявлений, скорость ветра в этом случае составила 480 км/ч.

Эти данные обоснованы математическими расчетами, но ряд наблюдателей приводят другие цифры; 600–1000 км/ч, а американский метеоролог Дж. Файнли [Finley, 1881], детально изучивший многие сотни смерчей, указал 1300 км/ч, что превосходит скорость звука.

В основе этих определений лежат поразительные, почти невероятные факты. Например, после некоторых смерчей неоднократно попадалось куриное яйцо, пробитое сухим бобом, но так, что скорлупа яйца вокруг пробоины осталась невредимой, как при прохождении револьверной пули. Во время других смерчей мелкая галька пробивала оконные стекла, не повреждая их вокруг пробоины, опять-таки как револьверные пули.

Пожалуй, еще более поразительный случай произошел во время знаменитого смерча Трех Штатов в 1925 г. Недалеко от ремонтировавшегося дома стояла дюймовая доска. При прохождении смерча она была проткнута другой такой же доской с острым концом, летевшей параллельно земле. Сам этот факт уже вызывает удивление, но еще более невероятно то, что проткнутая доска даже не раскололась, а летевшая застряла посредине. Все эти случаи связаны со сверхзвуковыми скоростями ветра.

Описан еще и такой пример. После прохождения смерча стена одного деревянного дома оказалась проткнутой насквозь застрявшей в ней старой, с одного конца обуглившейся доской. Пробивание стен деревянных домов досками и другими обломками наблюдалось неоднократно у различных смерчей, в этом ничего особенного нет. В данном случае важно то, что стена была проткнута острым, обуглившимся концом доски и при этом углистая, сравнительно рыхлая масса на острие доски оказалась почти не поврежденной. Доска летела с такой скоростью, что проткнула стену дома, как иголка протыкает материю (фото 4). Это произошло в конце 1928 г. в Канзасе.

В городе Нашвилле (штат Теннесси) 14 марта 1933 г. прошел смерч необыкновенной силы. Он вызвал большие разрушения и гибель 15 человек. Особенно интересны были факты, подтверждавшие огромную скорость ветра. Соломинка, несшаяся концом вперед, проткнула насквозь лист довольно толстого картона. Планка толщиной 2 см пронзила ствол небольшого дерева. Большая стальная опора для линии высокого напряжения согнулась до самой земли.

Во время смерча 1919 г. в штате Миннесота тонкий стебель растения проткнул насквозь толстую доску. Лист клевера несся с такой скоростью, что был вдавлен в твердую штукатурку и найден в таком положении. Трудно поверить, что соломинки могут втыкаться в дерево, но этот факт наблюдался неоднократно (фото 5). Самый фантастический случай произошел во время смерча 1896 г. в Сент-Луисе: сосновая палка пробила лист железа толщиной около сантиметра.

В СССР во время смерча 23 августа 1953 г. в Ростове (Ярославская область) во дворе дома № 37 по Февральской улице у колодца снесло деревянный сруб, а стоявшие рядом ведро и деревянная кадка остались на месте. В доме № 28 на той же улице будильник, стоявший на комоде, сильным током ветра был пронесен через три двери, кухню и коридор и оказался на чердаке. Совершив такое путешествие, будильник остался цел и невредим и продолжал ходить. На Спартаковской улице в одном доме сорвало и унесло с подушки наволочку, а сама подушка осталась нетронутой.

В Белоруссии во время смерча 25 апреля 1859 г. доска пробила свинью насквозь. Другой смерч перенес колоды с пчелами на 500 м.

В США причуды смерчей настолько часты, что они уже вошли в фольклор. В одном из сборников помещено несколько рассказов, скорее сказок, о смерчах. Вот некоторые из них. В Канзасе пронесся смерч необыкновенной силы: все потемнело, дом унесло, на месте остался только большой железный котелок. Хозяин обрадовался, взял его в руки, но котелок оказался вывернутым наружу. В Миссури во время смерча петух несся по воздуху с такой скоростью, что незаметно оказался в кувшине. Из узкого горлышка торчала лишь голова петуха, отчаянно кричавшего. Согласно еще одному описанию, днем во время обеда фермер сидел за столом и ел яблочный пирог. Вдруг раздался невероятный грохот и рев. Все потемнело, дом с мебелью и фермером взлетел на воздух и распался на куски. Когда фермер пришел в себя, он сидел высоко на дереве на толстой ветке, держа в руках яблочный пирог. Кругом со страшной силой неслись различные обломки. Он испугался, поймал доску, летевшую по воздуху, и закрыл голову. Вскоре смерч пролетел, стало тихо, светло и солнечно. Фермер слез с дерева и пошел домой, однако на месте дома была лишь ровная и гладкая площадка.

Точные измерения скорости вращения обломков редки и дают разные результаты: 180, 306, 382, 540 и даже 720 км/ч [Brooks, 1951].

Подъем и перенос тяжелых предметов убеждают, что скорости вращения в воронке значительно изменяются. Нижняя часть ее вращается быстрее верхней. Она способна поднять тяжелые и большие предметы, в том числе людей и животных, но высота подъема не превышает немногих десятков метров. Выше вращение становится медленнее, большие предметы выбрасываются из воронки и падают на землю. В облако поднимаются только предметы не тяжелее нескольких килограммов.

У расплывчатых смерчей распределение скорости такое же, как у ураганов. В центре, ближе к внутренней полости, скорости громадны, поэтому расплывчатые смерчи иногда бывают разрушительными, например смерч Трех Штатов или мэттунский.

Интересны случаи, когда материнское облако опускается на землю, воронка отсутствует совсем и облако медленно ползет по земле. Разрушения при этом не уменьшаются, а иногда даже увеличиваются. Это показывает, что вращение с громадной скоростью свойственно не только воронке, но и той части материнского облака, с которой она связана.

Каскад представляет собой облако или столб пыли водяных брызг у основания воронки смерчей. Он напоминает речные каскады, особенно когда состоит из пыли и обломков зданий. Первоначально название «каскад» было дано тем массам брызг, которые поднимаются вверх, иногда на высоту в несколько десятков метров, когда смерч касается поверхности моря, озера или реки. Падая обратно в море, они действительно напоминают настоящие речные каскады. Позже это название было распространено на наземные смерчи, которые, касаясь поверхности земли, поднимают вверх массы пыли, сухих листьев и мелких обломков. Падая вниз, они похожи на настоящие каскады.

Каскад образуется почти каждым смерчем и представляет собой явление, наблюдавшееся тысячи раз. Тем не менее природа его и причины образования до сих пор не разгаданы. Дело в том, что каскад создается восходящими токами воздуха, порой очень сильными. Эти токи идут вне воронки смерча. Изучение их, как и всего, что связано с телом смерча, исключительно трудно и просто опасно. Осуществить необходимые наблюдения в ближайшем будущем вряд ли возможно. Пока приходится ограничиваться только их описанием.

У известных смерчей в Небраске 1955 г. ширина одного каскада достигала 1092 м, высота — 260 м, а ширина воронки — всего 70 м; ширина другого каскада была громадна — 1700 м, а воронки — лишь 220 м. Подобной ширины каскад достигает редко.

Каскад у водяного смерча на реке Янцзы, недалеко от Шанхая, отличался очень большой высотой, несколько сот метров, при небольшой ширине. Он сужался у основания, а вверху расширялся, и вода падала обратно в реку. Сама воронка была длинной, узкой, столбообразной. При образовании таких высоких и узких каскадов вокруг воронки возникают дополнительные вихри, поднимающие брызги.

Такие крайности редки. Обычно каскады значительно меньше и по ширине, и по высоте: их размеры колеблются в пределах от нескольких метров до немногих десятков метров. Форма исключительно разнообразна, но в основном можно выделить две группы: узкие и широкие.

Высота узких каскадов значительно больше ширины. Они как бы вытягиваются вверх вдоль воронки, расширяясь у ее основания. На рисунке, изображающем водяной смерч 1964 г. в заливе Тампа во Флориде (фото 8), видно, как брызги каскада с расплывчатыми очертаниями облекают воронку и поднимаются почти до облака. При этом образуется нечто вроде футляра воронки. Подобные футляры нередко описываются в литературе. Одно из первых таких описаний относится к водяному смерчу 1780 г. у Ниццы, на побережье Средиземного моря (см. обложку). На рисунке видно, как воронка входит в раструб футляра, располагающийся почти у самого облака. Футляр начинается маленьким каскадом у основания воронки.

Еще более своеобразный каскад был у смерча 24 июня 1930 г. в штате Небраска. Форма воронки смерча представляла собой мощное, гладкое, хоботоподобное образование. Оно еще не коснулось земли и не замаскировано каскадом. На фото б видно, как воронка ударила о землю и подняла громадный, высокий и широкий, каскад черноземной пыли. Внизу он расплывчатый, просвечивающий, вверху суживающийся, уплотняющийся — настоящий футляр, сливающийся с материнским облаком. Воронка футляра уже не видна; футляр закапчивается округленным воротником. Возникает вопрос, нет ли на рисунке двух образований — футляра, спускающегося из облака, и каскада, поднимающегося навстречу ему с земли. Однако не исключено, что эти две части представляют единый каскад, окружающий воронку на всем ее протяжении.