книги / Опасные природные процессы. Вводный курс

Глава 8. Атмосферные опасные процессы

Если воздух сначала поднимается по наветренным склонам и в нем происходит облакообразование, то из долины на подветренной стороне можно наблюдать над гребнем хребта стену облаков. При опускании фенового воз­ духа по подветренному склону содержащиеся в нем облака испаряются, на наветренном склоне они, напротив, все время образуются заново. В резуль­ тате облачная масса в феновом потоке — феновая стена — кажется непод­ вижно прикрепленной к гребню хребта.

Бывает и так, что фен, особенно вначале, сводится к постепенному осе­ данию и динамическому нагреванию воздуха в антициклоне, занимающем горный район. По мере снижения инверсии оседания высокие температу­ ры захватывают все более низкие места. Однако до самых низких долин по­ тепление может и не дойти, они останутся занятыми холодным воздухом. При таком антициклоническом фене скорость ветра невелика, а феновое повышение температуры может происходить на обоих склонах хребта одно­ временно, как это много раз наблюдалось и на Кавказе, и в Альпах.

Особенно сильное повышение температуры при фене бывает тогда, ко­ гда воздух, в котором развивается фен, с самого начала очень теплый (напри­ мер, когда через хребет перетекает тропический воздух за теплым фронтом). Высокая температура воздуха дополнительно повышается адиабатически при нисходящем движении. Так, в первых числах мая 1935 г. в северных предгорьях Кавказа южный фен принес воздух с Армянского нагорья. При этом температура повысилась в Нальчике до +32°, в Моздоке до +40°, а от­ носительная влажность опустилась до 13%. Эффект повышения температу­ ры особенно велик и в том случае, если до фена воздух в долине был силь­ но выхоложен. В Монтане (Скалистые горы) однажды в декабре в течение 7 ч температура повысилась с —40 до +4°.

Продолжительный и интенсивный фен может привести к бурному тая­ нию снега в горах, к повышению уровня и разливам горных рек и т.д. Ле­ том фен вследствие своей высокой температуры и сухости может губитель­ но действовать на растительность. В Закавказье (район Кутаиси) случается, что при летних фенах листва деревьев высыхает и опадает.

Но фен может наблюдаться и в арктическом воздухе, когда последний, например, перетекает через Альпы или Кавказ и опускается по южным склонам. Даже в Гренландии стекание воздуха с трехкилометровой высоты ледяного плато на фиорды создает очень сильные повышения температуры. В Исландии при фенах наблюдались повышения температуры почти на 30° за несколько часов.

При перетекании хребта в воздушном течении могут возникать стоя­ чие волны — так называемые феновые волны с амплитудой в несколько километров, иногда приводящие к образованию чечевицеобразных обла­ ков. Эти волны распространяются вверх до высоты в несколько раз боль­ шей, чем высота хребта.

Борой называется сильный холодный и порывистый ветер, дующий с низких горных хребтов в сторону достаточно теплого моря. Бора с давних

291

Раздел И. Опасные природные процессы

пор известна в районе Новороссийской бухты на Черном море и на Адриа­ тическом побережье Югославии, в районе Триеста. Сходные явления обна­ ружены на Новой Земле и в некоторых других местах. К типу боры относит­ ся и сарма близ Ольхонских ворот на Байкале. Достаточное сходство с борой по происхождению и проявлениям имеют норд в районе Баку, мистраль на Средиземноморском побережье Франции, от Монпелье до Тулона, нортсер в Мексиканском заливе (Мексика, Техас).

Бора возникает в Новороссийске, как и в Адриатике, в тех случаях, когда холодный фронт подходит к прибрежному хребту с северо-востока. Холодный воздух сразу же переваливает невысокий хребет. Низвергаясь вниз по горному хребту под действием силы тяжести, воздух приобретает значительную скорость: в Новороссийске в январе скорость ветра при бо­ ре в среднем выше 20 м/с.

Падая на поверхность воды, этот нисходящий ветер создает сильное вол­ нение. При этом резко понижается температура воздуха, которая до начала боры над теплым морем была достаточно высокой. Конечно, падая вниз, воз­ дух боры адиабатически нагревается, как при фене. Но высота хребта неве­ лика, а первоначальная температура воздуха низка по сравнению с темпера­ турой воздуха, ранее располагавшегося над морем. В результате температура в районе, куда вторгается бора, понижается. В Новороссийске при боре слу­ чилось понижение температуры на 25° и более.

Новороссийская бора затухает в море уже в нескольких километрах от города. Однако бора в Адриатике при некоторых синоптических положени­ ях охватывает значительную часть моря. За год в Новороссийске наблюдает­ ся в среднем 46 дней с борой, чаще всею с ноября по март. Продолжается бора каждый раз 1—3 суток, а иногда — до недели.

Бакинский норд — холодный северный ветер в зоне Баку, дующий ле­ том и зимой. Он достигает штормовой, а нередко и ураганной силы (20— 40 м/с), приносит с берега тучи песка и пыли.

Сирокко — очень теплый и влажный ветер, зарождающийся в Африке и дующий в центральной части Средиземного моря, сопровождается об­ лачностью и осадками.

Сезонные ветры — это муссоны, которые носят континентальный хара­ ктер и возникают вследствие разницы в атмосферном давлении при нерав­ номерном нагревании суши и моря в летнее и зимнее время.

Иногда на ограниченных территориях наблюдаются резкие кратковре­ менные усиления ветра, называемые шквалами. Скорость ветра при шквале внезапно, порывом, усиливается да 20 м/с и более. Это усиление ветра про­ должается несколько минут, а иногда повторяется на протяжении короткого времени. Более или менее резко меняется и направление ветра. Несмотря на кратковременность шквалов, они могут приводить к катастрофическим пос­ ледствиям.

292

Глава 8. Атмосферные опасные процессы

Шквалы в большинстве случаев связаны с кучево-дождевыми (грозовы­ ми) облаками либо местной конвекции, либо холодного фронта. В первом случае они называются внутримассовыми, во втором — фронтальными.

Внутримассовый шквал обусловлен тем, что в передней части кучево­ дождевого облака возникает сильное восходящее движение воздуха, а в цен­ тральной и тыловой частях облака нисходящее движение, в частности, соз­ даваемое ливневыми осадками, увлекает за собой воздух. Таким образом, в облаке и под ним возникает вихревое движение воздуха с направлением по горизонтальной оси, в которое вовлекается воздух из смежных районов. При приближении большого облака конвекции ощущается усиление ветра и поворот его направления к облаку, в резко выраженных случаях это яв­ ление принимает форму шквала (рис. 8.14).

Сходные условия будут и в случае фронтальных шквалов. Здесь также играют роль восходящее движение теплого воздуха перед продвигающим­ ся холодным фронтом и нисходящее движение в голове холодного воздуха за фронтом, принимающее форму резкого обрушивания. Фронтальные шква­ лы наблюдаются вдоль фронта одновременно в ряде мест. Поэтому в XIX в., когда было установлено существование холодных фронтов, их называли ли­ ниями шквалов. Шквал обычно связан с ливневыми осадками и грозой, ино­ гда с градом. Лишь в условиях большой сухости воздуха возможны шква­ лы без образования кучевых облаков.

Атмосферное давление при шквале резко повышается в связи с бурным выпадением осадков, а затем снова падает так называемый (грозовой нос).

Шквальными бурями и смерчами называют вихри, возникающие в те­ плое время года на мощных атмосферных фронтах, реже — при особо ин­ тенсивной местной циркуляции.

293

Раздел И. Опасные природные процессы

Скорость движения воздуха в вихре суммируется со скоростью движения фронта, в результате чего образуются шквальные бури. Их ширина — не­ сколько километров, редко до 50 км, длина пути — 20—200 км, длительность в каждой точке пути — от нескольких минут до получаса. Скорость ветра в шквальных бурях достигает иногда ураганных значений (до 60—80 м/с). Они сопровождаются мощными ливнями и грозами.

Облачные скопления. Образование облаков — важный элемент кругообо­ рота воды в атмосфере и ее источник тепла, определяющий поле темпера­ тур. Конденсация начинается, когда температура охлаждающего воздуха по­ нижается до точки росы, а сублимация (образование льда) — до точки инея. Различают облака водяные, или капельные, ледяные, или кристаллические,

исмешанные.

Взависимости от высоты основания облаков выделяют облака нижнего яруса (ниже 2 км), среднего яруса (2—6 км, а в тропиках — до 8 км) и верх­ него яруса (выше 8 км). Облака высокого развития могут иметь вершины на 14 км и более.

Облака верхнего яруса: перистые (Cirrus) (параллельные нити и полосы или пятна, льдистые); перисто-кучевые (Cirro-cumulus) (слой из хлопьев, ша­ риков, волокон); перисто-слоистые (Cirro-stratus) (тонкий просвечивающий беловатый покров). Облака среднего яруса: высококучевые (А1 lo-cumulus) (слой из гряд и глыб). Высокослоистые (А1 lo-stratus) облака состоят из тон­ кой вуали серовато-синеватого оттенка. Облака нижнего яруса: слоисто-ку­ чевые (Strato-cumulus) (валы, гряды, серые, темные, плотные, крупные); слоистые (Stratus) (однородные, серые); слоисто-дождевые (Nimbo-stratus) (низкий бесформенный слой темно-серого цвета). Облака вертикального раз­ вития — кучевые облака (Cumulus) (темное основание, белый купол, клубя­ щаяся вершина); кучево-дождевые (Cumulo-nimbus) (ливневые или грозовые облака, быстро растущие, мощные, высокие).

Фронтальные облака встречаются у границы раздела между теплыми и холодными воздушными массами. Имеют значительную вертикальную со­ ставляющую из-за циркуляции у поверхности фронта и сходимость потоков

уповерхности Земли. Если фронт теплый, то надфронтальная часть мощная, а подфронтальная небольшая. Над холодным фронтом восходящее движение образует мощные кучево-дождевые облака иногда до тропопаузы. Под фрон­ том сильны нисходяшие движения и мало облаков.

Основным поражающим фактором движущихся воздушных масс явля­ ются ветровые воздействия. Силу воздействия ветра принято оценивать по

шкале Бофорта.

Шкала Бофорта США:

0—7 баллов. V < 19 м/с (56 км/ч) — от затишья до сильного ветра;

8 баллов, V = 19—23 м/с — буря. Ломаются тонкие ветки деревьев, воз­ никает опасность для судов, буровых вышек;

9 баллов, V = 23—26 м/с — сильная буря. Повреждение легких постро­ ек, кровли, труб;

294

Глава 8. Атмосферные опасные процессы

10 баллов, V = 20—30 м/с — полная буря, вырывает с корнем деревья. Значительные повреждения легких построек;

11 баллов, V = 30—35 м/с — значительный ветровал, массовые повре­ ждения легких построек;

12 баллов — ураган. Он может быть разделен более детально:

12.1, V = 35—42 м/с — Сильный ветровал. Значительные разруше­ ния легких деревянных поселков, завал телеграфных столбов;

12.2, V = 42—49 м/с — 50 % деревянных построек разрушаются, а в остальных — сносит крыши, окна, двери. Штормовой нагон волны на 1,6—2,4 м выше нормального уровня;

12.3, V = 49—58 м/с — полное разрушение деревянных построек, в остальных сильные повреждения. Штормовой нагон 1,5—3,5 м. на­ гонное наводнение, повреждение зданий водой;

12.4, V = 58—70 м/с — полный ветровал деревьев. Полное разруше­ ние легких построек и повреждение остальных. Штормовой нагон 3,5—5,5 м, сильная абразия морского берега, сильное разрушение нижних этажей зданий волнами;

12.5, V > 70 м/с (250 км/ч) — разрушаются многие прочные здания. Штормовой нагон выше 5,5 м, интенсивные разрушения наводне­ нием. Наивысшая зарегистрированная скорость 280 км/ч.

При скорости 20 м/с можно удержаться на ногах, а при 35 м/с почти нет. При скорости 28 м/с давление ветра около 70 кг/м2, а при 56 м/с — 280 кг/м2.

Территория России и бывшего СССР подвержены ветровым воздейст­ виям (рис. 8.15).

Большее значение имеют более крупные вихри, называемые над морем смерчами (рис. 8.16), а над сушей — тромбами. В Северной Америке тром­ бы называют торнадо. Они относятся к мелкомасштабным движениям (Д). Характерные размеры этих движений 1 м—2 км. К этому же масштабу отно­ сят конвективные ячейки, подветренные волны.

Смерчи в России длятся 10—30 мин, реже до 1 ч, в Англии — до 5 ч, в США — до 7,5 ч. Диаметр смерча обычно составляет около 200—400 м, ма­ ксимально — до 2,5 км, а в России — до 1 км.

Поражающие факторы: огромная скорость вращения 115 м/с (420 км/ч), максимальная скорость достигает 300 м/с, перепад давления от нормально­ го на внешней части смерча до половины значения внутри. Толщина стен­ ки — всего несколько метров, удар вращающейся стенки — до десятков тонн на 1 м2. Перепад давлений и вращение вызывают восходящее движение воз­ духа (восходящая скорость 70—90 м/с) (рис. 8.16). Смерч может поднимать здания, высасывать водоемы, бомбардировать поднятыми объектами. Схема образования смерча приведена на рис. 8.17.

Смерчи распространены повсеместно, где происходят столкновения влажных воздушных масс со значительно более холодными массами и где зародившиеся вихри могут получать подпитку влагой.

295

Рис. 8.15. Карта сильных ветров на территории бывшего СССР, способных создать в городах ЧС второй степени тяжести

[лава 8. Атмосферные опасные процессы

Рис. 8.16. Схема движения воздушных масс в смерче [Прох Л.З., 1981]

Сильный ветер

5^ J

Ч\Очень тепло, сухо Диверсия

Влажный, теплый \

N I___1 I____L

20° 40° 50% 100% Скорость 20 м/с

Рис. 8.17. Схема образования смерча [Прох Л.З., 1981]

Однажды при прохождении смерча через Рейн в течение нескольких мгновений возникла траншея глубиной 7 м, шириной 80 м и длиной 600 м, из которой было вытянуто 300 тыс. т воды. Смерч, разыгравшийся однажды в Канаде, понизил уровень озера на 60 см.

Удалось подсчитать, что он втянул в себя более 0,5 млн т воды. Опасны также бомбардировки тяжелыми предметами, поднятыми

смерчем.

Помимо США, смерчи нередки в Индии, Бангладеш, Японии, в пампа­ сах Аргентины. В Европе также могут возникать сильные смерчи.

На территории бывшего СССР смерчи возможны повсеместно южнее 65—66° с.ш. (рис. 8.18).

297

процессы природные Опасные .// Раздел

Условные обозначения: 1 — 5 х 104 в год; 2 — менее 5 х 104 в год; 3 — смерчи вероятны; 4 — смерчи отмечены в XX в.; 5 —

границы регионов МЧС РФ.

Рис. 8.18. Смерченосные районы на территории бывшего СССР [по Мягкову С.М ., 1995]

Гшва 8. Атмосферные опасные процессы

По некоторым данным, в среднем наблюдается 8—10 смерчей в год. Наиболее сильные из известных смерчей зафиксированы в Московской, Яро­ славской, Горьковской областях. Так, московский смерч 1904 г. уничтожил в Лефортове рощу вековых деревьев, а в Сокольниках прорубил просеку ши­ риной около 300 м. Второй вихрь этого смерча возле Мытищ поднял в воздух мальчика и перенес его живым в Сокольники. Тогда же 100-метровый пе­ релет совершил один московский городовой.

Смерчи и торнадо обычно возникают при грозах над морем и сушей. Из мощного грозового фронта, нижнее основание которого принимает форму опрокинутой воронки, опускается темный гигантский хобот к поверхности Земли. Здесь в результате резкого понижения давления навстречу ему подни­ мается широкая воронка из пыли (на суше) или воды (на море), в открытую чашу которой хобот как бы погружает свой конец. Образуется сплошной столб, перемещающийся со скоростью 20—40 км/ч. Наиболее узкая часть столба приходится на середину (800—1500 м). Из грозового облака может спу­ ститься несколько смерчевых воронок, но меньшего диаметра. Движение воз­ духа в смерчах и торнадо обычно идет против часовой стрелки, и одновремен­ но идет подъем воздуха по спирали. Скорость вращения центробежными си­ лами обеспечивает понижение давления в центре, отсюда всасывание.

Январский ураган 1952 г. погубил 5% общего объема делового хвойного леса в Великобритании. В 1968 г. ураган в Шотландии уничтожил 1,6 млн м2 делового леса, что в 2 раза превышает годовую вырубку страны.

Тромб виден как темный столб между облаком и землей, расширяю­ щийся кверху и книзу, или как хобот, свисающий из облака. Это объясня­ ется тем, что вихрь втягивает сверху облако, а снизу пыль или воду: кроме того, при сильном падении давления внутри вихря происходит конденса­ ция водяного пара.

Вихрь перемещается вместе с облаком чаще всего со скоростью око­ ло 30—40 км/ч. Время существования смерчей измеряется минутами, тром­ бов — десятками минут, иногда несколькими часами. За это время вихрь может продвинуться над морем на несколько километров, а над сушей — на десятки, иногда даже на сотни километров, все сметая на своем пути. Атмосферное давление в вихре сильно понижено — на десятки или даже на сотню миллибар. Воздух вращается вокруг оси вихря, одновременно поднимаясь вверх. Скорость ветра в тромбах может достигать 50—100 м/с, как это можно определить по разрушениям: очень велики и восходящие скорости. Ветер при тромбе срывает и разрушает легкие постройки, пере­ носит на большие расстояния людей и животных, ломает и вырывает с корнем деревья, прокладывая в лесах просеки. Падение давления при про­ хождении тромба бывает настолько большим и быстрым, что наружное дав­ ление не успевает выравняться с давлением внутри здания: давление внутри остается более высоким. Поэтому дома, попавшие в сферу действия тромба, иногда взрываются изнутри: слетают крыши, вылетают оконные рамы, даже разрушаются стены.

299