книги / Опасные природные процессы. Вводный курс
.pdfГлава 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
ю
N O
ON
процессы природные Опасные .II Раздел
Условные обозначения: изолинии числа случаев 1,0; 0,1 и 0,01 — в среднем за год; 1 — горные районы; 2 — границы реги
онов МЧС РФ.
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