Новое исследование Стэнфордского университета, опубликованное в сентябре. 10 в журнале Science, раскрывает физический механизм этих шлейфов, которые образуются над большинством самых разрушительных торнадо в мире.
Предыдущие исследования показали, что их легко обнаружить на спутниковых снимках, часто за 30 минут или более до того, как суровые погодные условия достигнут земли. "Вопрос в том, почему этот шлейф связан с наихудшими условиями и как он вообще существует? Это пробел, который мы начинаем заполнять ", – сказал ученый-атмосферник Морган О’Нил, ведущий автор нового исследования.
Исследование проводится чуть более чем через неделю после того, как грозы и торнадо суперячейки вспыхнули среди остатков урагана Ида, когда они устремились в U.S. Северо-восток, усугубляется опустошение региона в результате рекордных дождей и внезапных наводнений.
Понимание того, как и почему шлейфы формируются над мощными грозами, может помочь синоптикам распознавать аналогичные надвигающиеся опасности и выдавать более точные предупреждения, не полагаясь на доплеровские радиолокационные системы, которые могут быть выбиты ветром и градом – и иметь слепые зоны даже в хорошие дни.
Во многих частях мира покрытие доплеровским радаром отсутствует.
"Если случится ужасный ураган, мы сможем увидеть его из космоса. Мы не видим торнадо, потому что они спрятаны под грозовыми вершинами. Нам нужно лучше понять вершины ", – сказал О’Нил, доцент кафедры наук о Земле в Стэнфордской школе наук о Земле, энергии и окружающей среде (Stanford Earth).
Штормы суперячейки и взрывная турбулентность
Грозы, вызывающие большинство торнадо, известны как суперячейки, редкая разновидность штормов с вращающимся восходящим потоком, который может устремляться ввысь со скоростью более 150 миль в час, с достаточной мощностью, чтобы пробить обычную крышку в тропосфере Земли, самом нижнем слое наша атмосфера.
В более слабые грозы восходящие потоки влажного воздуха имеют тенденцию сглаживаться и распространяться при достижении этой крышки, называемой тропопаузой, образуя облако в форме наковальни. Интенсивный восходящий поток сверхъячейковой грозы выталкивает тропопаузу вверх в следующий слой атмосферы, создавая то, что ученые называют высотой смещения. «Это похоже на фонтан, наталкивающийся на следующий слой нашей атмосферы», – сказал О’Нил.
Когда ветры в верхних слоях атмосферы проходят над выступающей вершиной шторма и вокруг нее, они иногда поднимают потоки водяного пара и льда, которые устремляются в стратосферу, образуя контрольный шлейф, технически называемый перистым шлейфом над наковальней или AACP.
Поднимающийся воздух над проносящейся вершиной вскоре возвращается к тропосфере, как шар, который ускоряется вниз после взлетающего гребня. В то же время воздух проходит над куполом в стратосфере, а затем устремляется вниз по защищенной стороне.
Используя компьютерное моделирование идеализированных гроз суперячейки, О’Нил и его коллеги обнаружили, что это вызывает ураган в тропопаузе, где скорость ветра превышает 240 миль в час. "Сухой воздух, спускающийся из стратосферы, и влажный воздух, поднимающийся из тропосферы, соединяются в этой очень узкой, безумно быстрой струе.
Струя становится нестабильной, и все это смешивается и взрывается в турбулентности ", – сказал О’Нил. "Такие скорости на вершине шторма никогда раньше не наблюдались и не предполагались."
Гидравлический прыжок
Ученые давно признали, что пролет над грозовыми вершинами влажного воздуха, поднимающегося в верхние слои атмосферы, может действовать как твердые препятствия, которые блокируют или перенаправляют воздушный поток. Было высказано предположение, что волны влажного воздуха, текущие над этими вершинами, могут разбиваться и поднимать воду в стратосферу.
Но до сих пор ни одно исследование не объяснило, как все части сочетаются друг с другом.
Новое моделирование предполагает, что взрыв турбулентности в атмосфере, сопровождающий штормовые шлейфы, разворачивается через явление, называемое гидравлическим прыжком. Тот же механизм действует, когда порывистый ветер обрушивается на горы и создает турбулентность на спуске, или когда вода, плавно движущаяся вниз по водосбросу плотины, внезапно превращается в пену при соединении с медленно движущейся водой внизу.
Леонардо да Винчи наблюдал это явление в проточной воде еще в 1500-х годах, и древние римляне, возможно, стремились ограничить гидравлические прыжки в конструкции акведуков.
Но до сих пор атмосферные ученые видели только динамику, вызванную твердой топографией. Новое моделирование предполагает, что гидравлический прыжок также может быть вызван жидкими препятствиями в атмосфере, которые почти полностью состоят из воздуха и меняют форму каждую секунду на высоте нескольких миль над поверхностью Земли.
Моделирование предполагает, что начало скачка совпадает с удивительно быстрой закачкой водяного пара в стратосферу, со скоростью более 7000 килограммов в секунду.
Это в два-четыре раза выше, чем предыдущие оценки. Достигнув внешнего мира, вода может оставаться там в течение нескольких дней или недель, потенциально влияя на количество и качество солнечного света, который достигает Земли, за счет разрушения озона в стратосфере и нагревания поверхности планеты. «В наших симуляциях, которые показывают шлейфы, вода проникает глубоко в стратосферу, где она, возможно, может иметь более долгосрочное воздействие на климат», – сказал соавтор Ли Орф, ученый-атмосферник из Университета Висконсин-Мэдисон.
По словам О’Нила, высотные исследовательские самолеты НАСА только недавно получили возможность наблюдать трехмерный ветер на вершинах гроз и еще не наблюдали производство AACP с близкого расстояния. «Теперь у нас есть технология, чтобы проверить результаты нашего моделирования, чтобы убедиться, что они реалистичны», – сказал О’Нил. "Это действительно золотая середина в науке."
Это исследование было поддержано Национальным научным фондом и программой NASA по измерению осадков и наземной проверкой.