Сибирские ураганы 21 века

Обоснование выбора данной темы.

Ураганы, смерчи, торнадо, и цунами – все эти явления относятся к опасным для людей явлениям. Разбушевавшаяся стихия заставляет задуматься человеку о том, каким образом можно приспособиться к изменениям климата на Земле. Меня же заинтересовал вопрос о причинах возникновения опасных явлений. Мне интересна, как говорится, «физика» явления – ураган.

Летом 2005 года я поехала в гости в город Томск и наблюдала такую картину: на протяжении нескольких километров по трассе Шегарка - Томск были видны поваленные и как будто срезанные бритвой деревья. В июне 2007 года произошел новый ураган, который шел по тому же маршруту, вдоль трассы Шегарка – Томск. Визуально наблюдается то, что этот ураган имел большую мощность и совершил большую работу по уничтожению лесного массива. Деревья приклонены к земле, в некоторых местах видны даже вырванные с корнем березы, осины, сосны. В основном и тот и другой ураганы бушевали на территориях Кожевниковского, Кривошеинского, Шегарского и Томского районах.

Чем вызваны эти ураганы? Я решила исследовать этот вопрос.

Цель исследования: изучение возникновения ураганов на территории Томской области.

Задачи:

• изучить теорию возникновения ураганов смерчей и узнать о циклонах и антициклонах;

• составить планы-карты разрушения ураганов;

• выявить причину возникновения ураганов;

• сравнить последствия и разрушения;

Гипотеза: ураганы, произошедшие в июле 2005 и в июне 2007 года, похожи на «Канзасские» смерчи в Америке.

Едва ли не каждый из нас полагает, что знает об урагане и в частности других стихийных бедствиях все, но это далеко не так. Мы привыкли считать ураганом - ветер несущейся с ужасающей скоростью и силой. В целом это почти так. В наши дни считают ураганом ветер, скорость которого превышает 30 метров в секунду, или 108 километров в час, бывает даже 250 километров в час. И то его называю в том случае ураганом, когда он возникает в Карибском море на территории Атлантики и на востоке Тихого океана. На западе Тихого океана его называют тайфуном(в пер. с кит. «большой ветер»). В Индийском океане и Бенгальском заливе - циклоном.

Все они зарождаются в тропиках при высокой температуре верхних слоев океана или моря, когда атмосферный воздух в этом районе вдруг резко охлаждается. Испарение усиливается, и огромные воздушные массы от поверхности воды устремляются вверх. При этом возникает мощная тяга, словно в дымоходе, увлекающая все новые и новые порции воздуха. Из-за движения земли этот подъем воздуха приобретает вращательное движение, причем в Северном полушарии оно направлено против часовой стрелки, а в Южном наоборот. В целом ураган это огромный Волчек диаметром в несколько десятков, а то и сотен километров, кружащимся с огромной силой. Внутри его есть своеобразная ось, которую называют «глазом бури» - здесь ветра и облаков почти нет. И весь этот «Волчек» из-за разницы давлений в окружающем его воздухе, возникнув, начинает двигаться в ту или иную сторону, обычно, где давление окружающего воздуха ниже. Его скорость перемещения невелика - обычно 20-30 километров в час. Известно что американский спутник «Аква» определил что в 2005 году температура повысилась в среднем на 2-4 градуса. А ведь именно это и способствует зарождению ураганов. Так же спутник TRMM запущенный, в 1997 году, позволил открыть в «механизме» урагана неизвестную прежде деталь - так называемые «горячие башни». Оказалось, рядом с «глазом бури» - иногда возникают высотные зоны дождевой облачности, расположенные много выше самого урагана. Не в даваясь в тонкости, можно сравнить эти башни с поршнями, которые из-за разности давлений еще больше разгоняют основной поток воздуха, бешено мчащийся по кругу (чем больше башен тем мощнее ураган). Именно так, судя по снимкам, сделанным со спутника, было с ураганом «Катрина», обрушившимся на Новый Орлеан.

Я попыталась выяснить, можно предотвратить ураган? Оказалось, что если знать в какой грозовой туче он развивается то можно попытаться внести в тучу реагенты. Нашлись такие предложения, как – рассеивать облака (только-только появившиеся над океаном) сухим льдом или йодистым серебром. Или наоборот, охлаждать воду транспортировкой айсбергов или покрывать ее тонкой пленкой. Но, увы, все эти способы неприменимы на практике! К примеру: охладить в профилактических целях сразу все море невозможно.

Смерч- часть грозового облака, которая быстро вращается вокруг вертикальной оси. Сначала вращение видно только в самом облаке, затем часть его отвисает в виде воронки, которая удлиняется и, наконец, соединяется с землей в виде огромного столба- хобота. Русское слово смерч происходит от слова сумрак. Это связано с тем обстоятельством, что смерчи сопутствуют мрачного вида грозовым облакам, да и их прохождение сопровождается непогодой. По одной из гипотез, смерч- это искривленное пространство, где время течет по-другому, по другой это следствие перераспределения зарядов в грозовых тучах. Еще одна гипотеза гласит: что в атмосфере Земли существуют мощные воздушные течения, перегоняющие воздух из областей высокого давления в области более низкого давления. Эти течения образуют большие вихри диаметром до нескольких тысяч километров, называемые циклонами и антициклонами.

Циклон характеризуется областью пониженного давления в центре, ветры в нем кружат против часовой стрелки в Северном полушарии,- это потоки теплого влажного воздуха.

Антициклон характеризуется областью повышенного давления в центре, ветры кружат по часовой стрелке в Северном полушарии,- это потоки сухого холодного воздуха. При встрече циклона и антициклона при определенных условиях появляется мощный вихрь на высоте 2-15км от земли.

Смерчи образуются: при высокой влажности(большой массы влаги в облаках), резкого перепада температуры(на высоте 10-15 км всегда царит мороз, t≈-40÷-50°C, а у поверхности Земли t≈+20÷+30°C) и, перемешивания в «одной точке» теплого влажного воздуха ниже уровня с прохладным и сухим воздухом высокого уровня.

Механизм образования смерча:

1) В мощных грозовых облаках на высоте 10-15 км часто содержится большое количество влаги. Влага охлаждается, замерзает и падает вниз, увлекая воздушные массы.

2) Ушедший воздух восполняется равным по объему воздухом снизу (более прогретым). Он опять приносит влагу. Так в облаке образуются два вертикальных противопотока. В восходящем потоке влага по мере подъема вверх конденсируется и выделяет теплоту, которая подогревает восходящий поток. Температура внутри потока выше, чем вне его, следовательно, он легче окружающего воздуха. В нисходящем потоке, наоборот, образовавшиеся лесная пыль и град отбирают количество теплоты (тают), охлаждая нисходящий поток. Он становится тяжелее окружающего воздуха и движется вниз по спирали (внешний слой вихря), а восходящий поток движется тоже по спирали, но по внутренней стенке вихря вверх.

3) Когда в нижней части облака-вихря накапливается большое количество вращающегося дождя и града, то они выпадают из облака в виде конической или цилиндрической воронки-смерча.

4) Процесс выбрасывания града и крупных водяных- капель из стенок вихря под действием центробежной силы инерции приводит к сужению воронки. Воронка становится тяжелее вытесненного воздуха и обрушивается вниз.

5) При столкновении с препятствием у поверхности земли кромка воронки рвется. Внутри воронки благодаря центробежной силе инерции создается разрежение 0,4-0,5атм наружный атмосферный воздух вталкивает внутрь воронки предметы или воду. Перепад давлений 0,5атм разгоняет восходящий вторичный поток до звуковых и сверхзвуковых скоростей (330 м/с). Этот поток, имеющий большую температуру, устремляется вверх, и цикл замыкается.

6) Предметы, втянутые воронкой, поднимаются в высоту, расстояние, а затем благодаря центробежной силе инерции и силе тяжести выпадают из воронки на землю с большими скоростями.

7) Давление внутри воронки в месте сужения оказывается очень малым. Плотность стенок воронки составляет около 50кг/м³. если плотность тела меньше, оно остается внутри воронки, а если больше, то выбрасывается наружу.

Я решила составить планы-карты повреждений после урагана «Июль 2005» и «Июнь 2007». Внимательно наблюдая за дорогой, я зарисовывала изгиб и километраж дороги, а так же описывала, на каком километре и как были выражены повреждения. Потом я проанализировала все мною записанное и зарисованное, и выявила эпицентры повреждений ураганов.

Планы-карты этих двух опасных явлений выглядят следующим образом:

При сравнении последствий ураганов, видно, что эпицентр урагана 2007 смещен к реке Обь. Ураган 2005 явился локальным вихрем, то есть основные разрушения произошли только по трассе Шегарка – Томск, ураган же 2007 шел фронтом, захватывая большие области лесного массива. Пострадали лесные массивы Кривошеинского, Шегарского, Кожевниковского и Томского районов, а так же пострадали лесные насаждения в городе Томске. Характер повреждения деревьев для урагана «июль 2005» имеет вид:

Почва а для урагана «июнь 2007» характерны следующие повреждения: выдернутые с корнем деревья.

Если допустить, что ствол дерева представляет собой конус, то центр тяжести дерева смещен ближе к его основанию. Под порывом ветра дерево наклоняется в сторону направления ветра, крона дерева получает ускорение, из-за свойства инертности нижняя часть остается в покое, результатом воздействия ветра на дерево является деформация среза. В последствиях урагана 2005 года характерно срезание верхушек деревьев. В последствиях урагана 2007 – вывернутые с корнем деревья, это можно объяснить следующими причинами: сила ветра во втором случае была намного больше, следовательно тело-дерево, получило большее ускорение, не успев деформироваться, и второе – скорей всего, потоки воздушных масс во втором урагане двигались ниже, чем в первом урагане.

Общим фактом при сравнении разрушений ураганов является то, что направление движения потока воздушных масс одно и то же: с юго-запада на северо-восток. Причиной возникновения смерча и урагана является разница в давлениях воздуха. Если рассматривать это явление как конвекцию, то можно объяснить происхождение вихрей следующим образом: с прогретой почвы испарятся вода, теплый воздух имеет меньшую плотность, а значит и меньшее давление будет в восходящем потоке. Холодные массы воздуха, в которых давление выше, вытесняют теплые массы. Поскольку на высоте несколько десятков километров воздух разряжен, создается хорошее разряжение и скорость теплого потока увеличивается. Но для того, что бы всасывание теплых масс происходило длительное время, порядка 20-25 минут, необходимо, чтобы прогретого влажного воздуха было достаточно много. Томская область располагается в Западно-сибирской низменности. Огромное количество болот, крупных и мелких рек в жаркие летние дни являются источниками конвекционных потоков. Плотно растущий лес на отдельных участках территории является накопителем холодного воздуха, который замещает и заполняет собой места, из которых теплые массы поднимаются в высь.

Внимательно просматривая карту Томской области, я убедилась в том, что местность, по которой прошел ураган, считается низменностью, а это значит, на этой территории есть болота, особо внушительным являются болота Бакчарского района, а так же река Обь и огромные размеры поймы реки, состоящие из малых речек и болот. Все это позволило мне предположить, что болота и река явились источниками прогретых масс воздуха с малым давлением внутри потока.

Изучая причину возникновения ураганов, я обращалась за справками к работникам районной и областной метеорологических станций.

Характеристика урагана «Июль 2005»

Мне удалось найти информацию об урагане 2005 года в Кожевниковской метеорологической станции. Сотрудник станции выдала мне тетрадь, в которой велись наблюдения за погодой летом 2005 года. Посмотрев эти данные, я решила составить таблицу, в которую внесла сведенья, о состоянии погоды начиная с 3 и заканчивая 10 июля. Я решила внести в таблицу самые главные, на мой взгляд, параметры: это температуру, скорость ветра, влажность и давление.

дата Tср Tmax Tmin Ветер. Ветер. влажность P.

→ Ср/max ср/min

3. 07. 05 19,6 26,2 14,0 С→с. з. 2/7 88/62 \2мм

4. 07. 05 22,5 28,3 17,2 С ю. з на в. 2/6 82/61 \3,6

5. 07. 05 24,4 29,8 18,4 южный 3/8 73/50 \2мм

6. 07. 05 24,2 29,6 19,4 Ю. з. 3/7 70/42 /2,6

7. 0705 23,6 29,5 17,4 Ю-ю. з. 3/5 69/43 /0,5

8. 07. 05 24,6 31,3 17,9 южный 3/7 71/43 \6мм

9. 07. 05 23,7 29,5 20,4 южный 2/6 79/63 /2,5

10. 07. 05 21 25,9 17,5 Ю-з. 8/18 80/57 /5мм

Обозначения: 1с→с. з-северный→северозападный,2 с ю. з на в. , переменный: с юго-запада на восток,3 ю. з- юго-западный,4 ю. →ю. з- юго→ юго западный,5 ю. з- юго-западный.

6 \-Р,падало,7 /-Р, повышалось

Проанализировав таблицу, можно увидеть следующее. Во-первых, начинается повышение давления, ближе к дате 10 июля, во вторых, уменьшение влажности, и в - третьих увеличение скорости ветра на протяжении всего времени выбранного мной. Еще я отметила одну особенность это направление ветра. Приближаясь к 10 июля, он имел южное и юго-западное направление. Непосредственно в ночь с 9 на 10 июля ветер имел юго-западное направление.

В нашей районной метеорологической станции мне дали номер томских синоптиков. Я позвонила и получила следующую информацию. Ведущий синоптик Областной метеостанции Рытова Любовь Дмитриевна поделилась своими впечатлениями об этом явлении. Она склонна считать, что это был микровихрь, не зарегистрированный как ураган. Место визуально просматривалось. В режиме контрастной температуры в этот день, наблюдалась локальная конвекция с болот, рек окружающих место разрушений. Над территорией скопились конвекционные облака. Смешались теплые воздушные массы и холодный воздух с реки Обь. Восходящий поток теплого воздуха достиг 160 км/ч. Динамика воздушных масс привела к образованию микровихря с горизонтальной скоростью 156 км/час.

Характеристика урагана «Июнь 2007»

Информацию предоставила синоптик I категории Рюхтина Светлана Викторовна. Ураган произошел на территориях Кожевниковского, Кривошеинского, Шегарского и Томского районах. Если сравнивать ураган который был зарегистрирован 17 июня 2007 года с ураганом который произошел в июле 2005, то это уже будет не локальное явление, а макромасштабное. Из акта обследования последствий урагана, происходящего на территории Кожевниковского района: 17 июня 2007 года на территории Кожевниковского района наблюдалось опасное явление оно сопровождалось: сильной грозой, ливневым дождем и ветром с силой приравненной к жестокому шторму, скорость «жестокого шторма» оценена по шкале Бофорта. Скорость ветра достигала 31,1 м/с при такой скорости ветер выкручивает и ломает стволы деревьев.

Ураган имел западное смещение 270° градусов с запада на восток, фронт акклюзионов дал толчок для образования урагана.

Река послужила фронтальным разделом, за счет прогрева воды влажность воздуха была очень большой, из-за сильного прогрева воды произошло усиление конвекции, что и поспособствовало развитию. С помощью метеорологического радиолокатора была установлена верхняя граница урагана, она достигала 15 км – это очень огромное расстояние при увеличении верхней границы увеличивается вероятность образования шквалов.

В тот день температура воздуха возрастала от 17 до 26 градусов Цельсия. Влажность воздуха достигала 90%. Все это тоже поспособствовало развитию такого макромасштабного явления. В центре циклона давление составляло 981,8 млБар, падение давления составляло 3,3 млБар, рост в тыловой части циклона составлял 2,8 млБара.

Выявив для себя основные причины возникновения ураганов на территории районов Томской области, я попыталась смоделировать ситуацию воздействия силы ветра на деревья с помощью бытового прибора – пылесоса. Для меня было важно то, что труба пылесоса, является моделью области, в которой образуется воронка урагана, где сосредоточено низкое давление. Скорость восходящего потока воздуха намного больше скорости нисходящих потоков, в трубе пылесоса по закону Бернулли, давление ниже, чем за границей восходящего потока.

Частичное повреждение лесных насаждений объясняется тем, что поток воздуха в трубе урагана совершал еще и вращательное движение. На видеозаписи эксперимента можно наблюдать, каким образом ведут себя волоски меха под действие потока воздуха, стремящегося в трубу пылесоса. Характерны волновые колебания верхних частей волосков меха. При изменении направления движения трубы, смоделированные деревья – волоски смещаются под углом. В данной модели наблюдать деформацию среза нет возможности, так как волоски более эластичнее, чем дерево. Если считать полоску ткани за шоссе, то видно, что на границе леса и шоссе волоски ведут себя по иному, они наклоняются ниже, чем в случае, когда труба пылесоса находилась над , так называемым, лесом.

Моделирование ситуации подтверждает причину возникновения урагана

Еще одной частью моего исследования было сравнение ураганов «Июль 2005» и «Июнь 2007» с канзасскими смерчами и ураганами по фотографиям. У меня остались фотографии последствий разрушений урагана «Июль 2005» и при очередной поездке в Томск я решила сделать фотографии новых последствий разрушений от урагана «Июнь 2007». Фотографии канзасских смерчей и ураганов я нашла в Интернете.

Мною представлены следующие фотографии для сравнения:

Ураган 2005 года. Ураган 2007 года. Канзасский смерч

Сравнивая фотографии, я пришла к выводу: ураганы «Июнь 2007» и «Июль 2005» схожи по масштабам разрушений, но по образованию они отличаются так как ураган 2005 года это локальное явление, а ураган 2007 года макромасштабное.

Если же сравнивать ураганы томской области с канзасскими, то общее у них это только последствия т. е масштабы разрушений, а образование разное.

Я хотела сравнить ураганы «Июль- 2005» и «Июнь – 2007» с Канзасскими ураганами. Оказалось это делается по шкале Бофорта, характеристика сравнений происходит визуально. Ураган должен иметь скорость более 30 м/с, а так же катастрофические последствия (сорванные крыши с домов, вырванные с корнем деревья).

Если сравнивать явления «Июль 2005» и «Июнь-2007» по шкале Бофорта, то к урагану их еще отнести нельзя. Так как скорость ветра достигала почти 25 м/с, и последствия имеют большой масштаб, но не такой катастрофический, которыми славятся «Канзаские» смерчи. Хотя во время последнего урагана маленькое дощатое строение с человеком внутри него, было приподнято над землей и имело печальные последствия, в отличие от смерча, поднявшего домик Элли, по сказке Волкова.

Входе работы гипотеза, что сибирские ураганы имеют ту же природу, что и «Канзасские» смерчи, частично подтвердилась. Мне удалось составить приближенные схемы ураганов, сравнить их по характеристикам, основой которых послужили данные метеостанции и консультации ведущих специалистов в области метеорологии.