что такое глаз циклона
Глаз бури
Из Википедии — свободной энциклопедии
Глаз бури, также глаз урагана, або офо, бычий глаз — область прояснения и относительно тихой погоды в центре тропического циклона.
Типичный глаз бури имеет диаметр от 20 до 30 км, в редких случаях — до 60 км. В этом пространстве воздух имеет бо́льшую температуру и меньшую влажность, нежели в окружающей его области ветра и дождевых облаков. В результате возникает устойчивая температурная стратификация.
Стена ветра и ливня служит изолятором для очень сухого и более тёплого воздуха, опускающегося в центр циклона из верхних слоёв. По периферии глаза бури часть этого воздуха смешивается с воздухом из облаков и благодаря испарению капель охлаждается, тем самым образуя мощный нисходящий вдоль внутренней стороны облаков каскад относительно холодного воздуха.
В это же время в облаках воздух стремительно поднимается.
Это построение и образует кинематическую и термодинамическую основу тропического циклона.
Кроме того, вблизи оси вращения уменьшается горизонтальная линейная скорость ветра, что для наблюдателя, при попадании в центр циклона, производит впечатление прекратившейся бури, по контрасту с окружающим пространством.
Физики нашли гидродинамические критерии для формирования глаз тропических циклонов
Фотография урагана Катарина, полученная экипажем МКС в 2004 году. В центре вихря виден глаз циклона, свободных от облаков
NASA Johnson / flickr
Физики смоделировали процесс образования глаз крупных тропических циклонов и сформулировали минимальные необходимые для этого гидродинамические критерии. Оказалось, что формирование свободных от облаков областей в центре циклонов происходит при нужном соотношении инерционных сил, вязких сил и силы Кориолиса, пишут ученые в Physical Review Fluids.
Циклон представляет собой атмосферный вихрь с зоной пониженного давления в центре. Часто в центре циклона формируется свободная от облаков область теплого и сухого воздуха диаметром от 20 до 60 километров — так называемый глаз циклона. Такие структуры характерны как для относительно небольших циклонов, так и для тропических циклонов, которые могут сопровождаться ураганами и приводить к катастрофическим последствиям. Несмотря на то, что структура глаз циклонных вихрей изучена довольно хорошо, из-за того, что атмосфера представляет собой очень сложную неравновесную систему с большим количеством параметров, до сих пор не удавалось точно определить наиболее важные факторы, которые определяют их образование. Поэтому очень сложно предсказать, при каких условиях будет формироваться глаз циклона, а при каких — нет.
Физики из Франции и Великобритании под руководством Эммануэля Дорми (E. Dormy) из Высшей нормальной школы Парижа решили определить минимальные необходимые условия, необходимые для формирования глаза в атмосферном вихре. Для этого они рассмотрели чисто гидродинамическую систему, в которой вихревое движение текучей среды определяется вязкостью и температурой системы. С помощью численного моделирования такие системы впервые удалось исследовать количественно для атмосферных систем с размерами, соответствующим реальным тропическим циклонам.
Движение потоков внутри циклона моделировалось как радиально-симметричный вихрь. При этом нагревание нижней части системы приводит к образованию вертикальных восходящих потоков внутри вихря. Так как целью работы было определение минимальных условий, необходимых для образования глаза, то все течения считались ламинарными, поток — установившимся, а конвекция была рассчитана в рамках линейного приближения Буссинеска. Влияние динамических и турбулентных эффектов в рамках работы не рассматривались.
Картины линий тока внутри циклонного вихря при различных параметрах
L. Oruba et al./ Physical Review Fluids, 2018
С помощью численного моделирования авторы изучили, как меняется поведение системы в зависимости от ее размера, вязкости воздуха, температурного градиента и скорости вращения. Оказалось, что условия, при которых возможно формирование глаза, в первую очередь определяется двумя безразмерными критериями: числом Рейнольдса, которое определяет отношение инерционных сил к вязким, и числом Россби, характеризующим отношение инерционных сил к силе Кориолиса. Некоторые другие параметры, в частности, коэффициент теплопроводности среды, тоже оказывают влияние на процесс формирования глаза циклона, но их эффект вторичен и не настолько заметен.
Карта радиальных срезов азимутальной скорости (a), углового момента (b) и температуры (c) внутри циклонного вихря, полученные с помощью моделирования
L. Oruba et al./ Physical Review Fluids, 2018
Таким образом ученые смогли показать, что образование глаза циклона может происходить по достаточно простым гидродинамическим механизмам, хотя ранее считалось, что для этого необходим учет турбулентных потоков и неоднородности влажности среды. Тем не менее, совсем упрощенные гидродинамические модели, которые также предлагались ранее и ограничивали условия формирования глаза циклона только числом Рейнольдса, тоже не могут описать процесс достаточно точно.
Образование циклонов характерно не только для атмосферы Земли. Подобные вихревые структуры могут формироваться и на других планетах. Например, на Юпитере было обнаружено большое количество циклонных вихрей, диаметр некоторых их которых достигает 7 тысяч километров.
Содержание
Структура
Типичный тропический циклон будет иметь глаз примерно 30–65 км (20–40 миль) в поперечнике, обычно расположенный в геометрическом центре шторма. Глаз может быть ясным или иметь небольшие пятнистые облака ( ясный глаз), он может быть заполнен облака низкого и среднего уровня (а заполненный глаз), или он может быть закрыт центральной плотной облачностью. Однако здесь очень мало ветра и дождя, особенно около центра. Это резко контрастирует с условиями в стене глаз, которая содержит самые сильные ветры шторма. [3] Из-за механика тропического циклона, глаз и воздух прямо над ним теплее, чем их окружение. [4]
В то время как у типичных зрелых штормов есть глаза размером в несколько десятков миль, быстро усиливается у штормов может развиться чрезвычайно маленький, ясный и круглый глаз, иногда называемый точечный глаз. Грозы с отверстиями для глаз склонны к большим колебаниям интенсивности и создают трудности и разочарование для синоптиков. [7]
Глаза могут иметь размер от 370 км (230 миль) (Тайфун Кармен) [9] до всего 3,7 км (2,3 мили) (Ураган Вильма) через. [10] Хотя штормы с большими глазами редко становятся очень интенсивными, они случаются, особенно в кольцевые ураганы. Ураган Изабель был одиннадцатым по силе Североатлантический ураган в записанная историяи сохранил большой глаз шириной 65–80 км (40–50 миль) в течение нескольких дней. [11]
Формирование и обнаружение
Тропические циклоны обычно образуются из больших неорганизованных районов с нарушенной погодой в тропических регионах. По мере того, как образуется и собирается все больше гроз, буря усиливается. повязки которые начинают вращаться вокруг общего центра. По мере того, как буря набирает силу, кольцо сильнее конвекция формируется на определенном расстоянии от центра вращения развивающейся бури. Поскольку более сильные грозы и более сильный дождь отмечают участки с более сильным восходящие потокибарометрическое давление на поверхности начинает падать, и в верхних уровнях циклона начинает накапливаться воздух. [12] В результате образуется верхний уровень антициклон, или область с высоким атмосферным давлением над центральной плотной облачностью. Следовательно, большая часть этого скопившегося воздуха течет антициклонически наружу над тропическим циклоном. За пределами формирующего глаза антициклон на верхних уровнях атмосферы усиливает поток к центру циклона, выталкивая воздух к стене глаза и вызывая петля положительной обратной связи. [12]
Образование глаза почти всегда является показателем увеличения организации и силы тропических циклонов. Из-за этого синоптики внимательно следят за развитием штормов в поисках признаков образования глаз.
Для шторма с ясным зрением обнаружить глаз так же просто, как посмотреть изображения с метеорологический спутник. Однако для штормов с заполненным глазом или с глазом, полностью закрытым центральной плотной облачностью, необходимо использовать другие методы обнаружения. Наблюдения с кораблей и Охотники за ураганами может определить глаз визуально по уменьшению скорости ветра или отсутствию дождя в центре шторма. В США, Южной Корее и некоторых других странах сеть NEXRAD Доплеровский метеорологический радар станции могут обнаруживать глаза возле берега. Метеорологические спутники также несут оборудование для измерения атмосферных водяной пар и температуры облаков, которые можно использовать для определения формирующегося глаза. Кроме того, недавно ученые обнаружили, что количество озона в глазу намного выше, чем количество в глазной стенке, из-за того, что воздух опускается из богатой озоном стратосферы. Приборы, чувствительные к озону, выполняют измерения, которые используются для наблюдения восходящих и опускающихся столбов воздуха и обеспечивают индикацию образования глаза даже до того, как спутниковые изображения могут определить его образование. [13]
Одно спутниковое исследование показало, что глаза обнаруживаются в среднем 30 часов за шторм. [14]
Сопутствующие явления
Циклы замены очков
Открытие этого процесса было частично ответственным за конец эксперимента правительства США по модификации урагана. Проект Штормовая Ярость. Этот проект направлен на семена облака за пределами стены глаза, вызывая формирование новой стены глаза и ослабляя шторм. Когда было обнаружено, что это естественный процесс из-за динамики урагана, проект был быстро заброшен. [8]
Практически каждый сильный ураган за время своего существования проходит хотя бы один из этих циклов. Ураган Аллен в 1980 г. прошел через несколько циклов замены глазных стенок, несколько раз колеблясь между категориями 5 и 4 по шкале Саффира-Симпсона. Ураган Джульетта был редким задокументированным случаем тройных глаз. [15]
Мезовихри на глазах
Глаза мезовихри представляют собой мелкомасштабные элементы вращения, обнаруживаемые в очагах интенсивных тропических циклонов. В принципе, они похожи на небольшие «всасывающие вихри», часто наблюдаемые в многовихревые торнадо. [17] В этих вихрях скорость ветра может быть больше, чем где-либо еще в зоне зрения. [18] Мезовихри на глазах чаще всего встречаются в периоды усиления тропических циклонов. [17]
Мезовихри глазного дна часто демонстрируют необычное поведение в тропических циклонах. Обычно они вращаются вокруг центра низкого давления, но иногда остаются неподвижными. Было даже зарегистрировано, что мезовихри на глазах пересекают эпицентр бури. Эти явления документально подтверждены наблюдениями. [19] экспериментально, [17] и теоретически. [20]
Мезовихри глаз являются важным фактором в формировании торнадо после выхода на сушу тропического циклона. Мезовихри могут порождать вращение в отдельных конвективных ячейках или восходящих потоках ( мезоциклон), что приводит к торнадовой активности. При выходе на берег возникает трение между циркуляцией тропического циклона и землей. Это может позволить мезовихрям опускаться на поверхность, вызывая торнадо. [21] Эти торнадоидальные циркуляции в пограничном слое могут преобладать во внутренних стенах интенсивных тропических циклонов, но при непродолжительности и небольшом размере они наблюдаются не часто. [22]
Эффект стадиона
В эффект стадиона это явление наблюдается в сильных тропических циклонах. Это довольно частое явление, когда облака у глаз изгибаются от поверхности с высотой. Это придает глазу вид, напоминающий открытый купол с воздуха, похожий на спортивный стадион. Глаз всегда больше в разгар шторма и меньше всего в нижней части шторма, потому что поднимающийся воздух в стене глаз следует за ним. изолинии равных угловой момент, которые также наклонены наружу с высотой. [23] [24] [25]
Глазоподобные черты
Глазообразная структура часто встречается в усиливающихся тропических циклонах. Подобно глазу, наблюдаемому во время ураганов или тайфунов, это круглая область в центре циркуляции шторма, в которой конвекция отсутствует. Эти похожие на глаза особенности чаще всего встречаются при усилении тропических штормов и ураганов силы Категории 1 по шкале Саффира-Симпсона. Например, в Ураган Бета когда шторм имел максимальную скорость ветра только 80 км / ч (50 миль в час), что значительно ниже силы урагана. [26] Функции обычно не видны на видимые длины волн или же инфракрасные длины волн из космоса, хотя на микроволновая печь спутниковые снимки. [27] Их развитие на средних уровнях атмосферы похоже на формирование полного глаза, но элементы могут быть смещены по горизонтали из-за вертикального сдвига ветра. [28] [29]
Опасности
Распространенная ошибка, особенно в районах, где ураганы случаются нечасто, заключается в том, что жители покидают свои дома, чтобы осмотреть повреждения, пока спокойный взгляд проходит мимо, только для того, чтобы быть застигнутыми врасплох сильным ветром в противоположной стене. [31]
Прочие циклоны
Хотя только у тропических циклонов есть структуры, официально называемые «глазами», существуют и другие погодные системы, которые могут иметь особенности, напоминающие глаза. [1] [32]
Полярные минимумы
Полярные минимумы находятся мезомасштаб метеорологические системы, обычно менее 1000 км (600 миль) в поперечнике, обнаруженные рядом с полюса. Как и тропические циклоны, они образуются над относительно теплой водой и могут иметь глубокую конвекцию и ветры штормовая сила или выше. Однако, в отличие от штормов тропической природы, они процветают при гораздо более низких температурах и в гораздо более высоких широтах. Они также меньше по размеру и длятся более короткое время, а некоторые из них длятся дольше дня или около того. Несмотря на эти различия, они могут быть очень похожи по структуре на тропические циклоны, имея ясный глаз, окруженный стеной глаз и полосами дождя и снега. [33]
Внетропические циклоны
Внетропические циклоны области низкого давления, которые существуют на границе различных воздушные массы. Почти все штормы, наблюдаемые в средних широтах, имеют внетропический характер, включая классические североамериканские. Nor’easters и Европейские бури. Наиболее серьезные из них могут иметь четкий «глаз» в месте самого низкого атмосферного давления, хотя обычно они окружены более низкими неконвективными облаками и находятся ближе к концу шторма. Примером может служить Январь 2018 Метель в Северной Америке [34]
Субтропические циклоны
Субтропические циклоны представляют собой системы низкого давления с некоторыми характеристиками вне тропиков и некоторыми тропическими характеристиками. Таким образом, они могут иметь глаз, хотя и не являются по-настоящему тропическими. Субтропические циклоны могут быть очень опасными, порождая сильные ветры и моря, и часто превращаются в полностью тропические циклоны. По этой причине Национальный центр ураганов начал включать субтропические штормы в свою схему именования в 2002 году. [35]
Торнадо
Внеземные вихри
НАСА сообщил в ноябре 2006 г., что Космический корабль Кассини наблюдал «ураганный» шторм, привязанный к южному полюсу Сатурн с четко очерченной стенкой глаз. Наблюдение было особенно примечательным, поскольку облака у глаз ранее не наблюдались ни на одной планете, кроме Земли (в том числе отсутствие наблюдения за стеной глаз в Большое красное пятно Юпитера Галилео космический корабль). [38] В 2007 г. очень большие вихри на обоих полюсах Венера наблюдались Venus Express миссия Европейское космическое агентство иметь дипольное строение глаза. [39]
Содержание
Структура
Типичный тропический циклон будет иметь глаз примерно 30–65 км (20–40 миль) в поперечнике, обычно расположенный в геометрическом центре шторма. Глаз может быть ясным или иметь небольшие пятнистые облака ( ясный глаз), он может быть заполнен облака низкого и среднего уровня (а заполненный глаз), или он может быть закрыт центральной плотной облачностью. Однако здесь очень мало ветра и дождя, особенно около центра. Это резко контрастирует с условиями в стене глаз, которая содержит самые сильные ветры шторма. [3] Из-за механика тропического циклона, глаз и воздух прямо над ним теплее, чем их окружение. [4]
В то время как у типичных зрелых штормов есть глаза размером в несколько десятков миль, быстро усиливается у штормов может развиться чрезвычайно маленький, ясный и круглый глаз, иногда называемый точечный глаз. Грозы с отверстиями для глаз склонны к большим колебаниям интенсивности и создают трудности и разочарование для синоптиков. [7]
Глаза могут иметь размер от 370 км (230 миль) (Тайфун Кармен) [9] до всего 3,7 км (2,3 мили) (Ураган Вильма) через. [10] Хотя штормы с большими глазами редко становятся очень интенсивными, они случаются, особенно в кольцевые ураганы. Ураган Изабель был одиннадцатым по силе Североатлантический ураган в записанная историяи сохранил большой глаз шириной 65–80 км (40–50 миль) в течение нескольких дней. [11]
Формирование и обнаружение
Тропические циклоны обычно образуются из больших неорганизованных районов с нарушенной погодой в тропических регионах. По мере того, как образуется и собирается все больше гроз, буря усиливается. повязки которые начинают вращаться вокруг общего центра. По мере того, как буря набирает силу, кольцо сильнее конвекция формируется на определенном расстоянии от центра вращения развивающейся бури. Поскольку более сильные грозы и более сильный дождь отмечают участки с более сильным восходящие потокибарометрическое давление на поверхности начинает падать, и в верхних уровнях циклона начинает накапливаться воздух. [12] В результате образуется верхний уровень антициклон, или область с высоким атмосферным давлением над центральной плотной облачностью. Следовательно, большая часть этого скопившегося воздуха течет антициклонически наружу над тропическим циклоном. За пределами формирующего глаза антициклон на верхних уровнях атмосферы усиливает поток к центру циклона, выталкивая воздух к стене глаза и вызывая петля положительной обратной связи. [12]
Образование глаза почти всегда является показателем увеличения организации и силы тропических циклонов. Из-за этого синоптики внимательно следят за развитием штормов в поисках признаков образования глаз.
Для шторма с ясным зрением обнаружить глаз так же просто, как посмотреть изображения с метеорологический спутник. Однако для штормов с заполненным глазом или с глазом, полностью закрытым центральной плотной облачностью, необходимо использовать другие методы обнаружения. Наблюдения с кораблей и Охотники за ураганами может определить глаз визуально по уменьшению скорости ветра или отсутствию дождя в центре шторма. В США, Южной Корее и некоторых других странах сеть NEXRAD Доплеровский метеорологический радар станции могут обнаруживать глаза возле берега. Метеорологические спутники также несут оборудование для измерения атмосферных водяной пар и температуры облаков, которые можно использовать для определения формирующегося глаза. Кроме того, недавно ученые обнаружили, что количество озона в глазу намного выше, чем количество в глазной стенке, из-за того, что воздух опускается из богатой озоном стратосферы. Приборы, чувствительные к озону, выполняют измерения, которые используются для наблюдения восходящих и опускающихся столбов воздуха и обеспечивают индикацию образования глаза даже до того, как спутниковые изображения могут определить его образование. [13]
Одно спутниковое исследование показало, что глаза обнаруживаются в среднем 30 часов за шторм. [14]
Сопутствующие явления
Циклы замены очков
Открытие этого процесса было частично ответственным за конец эксперимента правительства США по модификации урагана. Проект Штормовая Ярость. Этот проект направлен на семена облака за пределами стены глаза, вызывая формирование новой стены глаза и ослабляя шторм. Когда было обнаружено, что это естественный процесс из-за динамики урагана, проект был быстро заброшен. [8]
Практически каждый сильный ураган за время своего существования проходит хотя бы один из этих циклов. Ураган Аллен в 1980 г. прошел через несколько циклов замены глазных стенок, несколько раз колеблясь между категориями 5 и 4 по шкале Саффира-Симпсона. Ураган Джульетта был редким задокументированным случаем тройных глаз. [15]
Мезовихри на глазах
Глаза мезовихри представляют собой мелкомасштабные элементы вращения, обнаруживаемые в очагах интенсивных тропических циклонов. В принципе, они похожи на небольшие «всасывающие вихри», часто наблюдаемые в многовихревые торнадо. [17] В этих вихрях скорость ветра может быть больше, чем где-либо еще в зоне зрения. [18] Мезовихри на глазах чаще всего встречаются в периоды усиления тропических циклонов. [17]
Мезовихри глазного дна часто демонстрируют необычное поведение в тропических циклонах. Обычно они вращаются вокруг центра низкого давления, но иногда остаются неподвижными. Было даже зарегистрировано, что мезовихри на глазах пересекают эпицентр бури. Эти явления документально подтверждены наблюдениями. [19] экспериментально, [17] и теоретически. [20]
Мезовихри глаз являются важным фактором в формировании торнадо после выхода на сушу тропического циклона. Мезовихри могут порождать вращение в отдельных конвективных ячейках или восходящих потоках ( мезоциклон), что приводит к торнадовой активности. При выходе на берег возникает трение между циркуляцией тропического циклона и землей. Это может позволить мезовихрям опускаться на поверхность, вызывая торнадо. [21] Эти торнадоидальные циркуляции в пограничном слое могут преобладать во внутренних стенах интенсивных тропических циклонов, но при непродолжительности и небольшом размере они наблюдаются не часто. [22]
Эффект стадиона
В эффект стадиона это явление наблюдается в сильных тропических циклонах. Это довольно частое явление, когда облака у глаз изгибаются от поверхности с высотой. Это придает глазу вид, напоминающий открытый купол с воздуха, похожий на спортивный стадион. Глаз всегда больше в разгар шторма и меньше всего в нижней части шторма, потому что поднимающийся воздух в стене глаз следует за ним. изолинии равных угловой момент, которые также наклонены наружу с высотой. [23] [24] [25]
Глазоподобные черты
Глазообразная структура часто встречается в усиливающихся тропических циклонах. Подобно глазу, наблюдаемому во время ураганов или тайфунов, это круглая область в центре циркуляции шторма, в которой конвекция отсутствует. Эти похожие на глаза особенности чаще всего встречаются при усилении тропических штормов и ураганов силы Категории 1 по шкале Саффира-Симпсона. Например, в Ураган Бета когда шторм имел максимальную скорость ветра только 80 км / ч (50 миль в час), что значительно ниже силы урагана. [26] Функции обычно не видны на видимые длины волн или же инфракрасные длины волн из космоса, хотя на микроволновая печь спутниковые снимки. [27] Их развитие на средних уровнях атмосферы похоже на формирование полного глаза, но элементы могут быть смещены по горизонтали из-за вертикального сдвига ветра. [28] [29]
Опасности
Распространенная ошибка, особенно в районах, где ураганы случаются нечасто, заключается в том, что жители покидают свои дома, чтобы осмотреть повреждения, пока спокойный взгляд проходит мимо, только для того, чтобы быть застигнутыми врасплох сильным ветром в противоположной стене. [31]
Прочие циклоны
Хотя только у тропических циклонов есть структуры, официально называемые «глазами», существуют и другие погодные системы, которые могут иметь особенности, напоминающие глаза. [1] [32]
Полярные минимумы
Полярные минимумы находятся мезомасштаб метеорологические системы, обычно менее 1000 км (600 миль) в поперечнике, обнаруженные рядом с полюса. Как и тропические циклоны, они образуются над относительно теплой водой и могут иметь глубокую конвекцию и ветры штормовая сила или выше. Однако, в отличие от штормов тропической природы, они процветают при гораздо более низких температурах и в гораздо более высоких широтах. Они также меньше по размеру и длятся более короткое время, а некоторые из них длятся дольше дня или около того. Несмотря на эти различия, они могут быть очень похожи по структуре на тропические циклоны, имея ясный глаз, окруженный стеной глаз и полосами дождя и снега. [33]
Внетропические циклоны
Внетропические циклоны области низкого давления, которые существуют на границе различных воздушные массы. Почти все штормы, наблюдаемые в средних широтах, имеют внетропический характер, включая классические североамериканские. Nor’easters и Европейские бури. Наиболее серьезные из них могут иметь четкий «глаз» в месте самого низкого атмосферного давления, хотя обычно они окружены более низкими неконвективными облаками и находятся ближе к концу шторма. Примером может служить Январь 2018 Метель в Северной Америке [34]
Субтропические циклоны
Субтропические циклоны представляют собой системы низкого давления с некоторыми характеристиками вне тропиков и некоторыми тропическими характеристиками. Таким образом, они могут иметь глаз, хотя и не являются по-настоящему тропическими. Субтропические циклоны могут быть очень опасными, порождая сильные ветры и моря, и часто превращаются в полностью тропические циклоны. По этой причине Национальный центр ураганов начал включать субтропические штормы в свою схему именования в 2002 году. [35]
Торнадо
Внеземные вихри
НАСА сообщил в ноябре 2006 г., что Космический корабль Кассини наблюдал «ураганный» шторм, привязанный к южному полюсу Сатурн с четко очерченной стенкой глаз. Наблюдение было особенно примечательным, поскольку облака у глаз ранее не наблюдались ни на одной планете, кроме Земли (в том числе отсутствие наблюдения за стеной глаз в Большое красное пятно Юпитера Галилео космический корабль). [38] В 2007 г. очень большие вихри на обоих полюсах Венера наблюдались Venus Express миссия Европейское космическое агентство иметь дипольное строение глаза. [39]