Пыльные дьяволы: формирование и характеристики вихрей

Введение

Тип вихря

Пыльный дьявол (также известный в некоторых регионах как песчаный вихрь) – сильный, хорошо сформированный и относительно недолговечный вихрь. Его размер варьируется от небольшого (шириной 45 см / полметра и высотой несколько метров) до большого (шириной более 9 м и высотой более 1,6 км). Преобладающее вертикальное движение направлено вверх. Пыльные дьяволы обычно безвредны, но в редких случаях могут вырасти до размеров, представляющих угрозу для людей и имущества. Они сопоставимы с торнадо, поскольку оба являются метеорологическими явлениями, связанными с вертикально вращающимся столбом ветра. В отличие от большинства торнадо, которые связаны с более крупной родительской циркуляцией – мезоциклоном в суперъячейковой грозе, пыльные дьяволы формируются как вращающийся восходящий поток в солнечную погоду и редко достигают интенсивности торнадо.

Формирование

Пыльные дьяволы образуются, когда карман горячего воздуха у поверхности быстро поднимается сквозь более холодный воздух над ним, формируя восходящий поток. Если условия складываются удачно, этот восходящий поток может начать вращаться. По мере быстрого подъема воздуха, столб горячего воздуха растягивается в вертикальном направлении, тем самым перемещая массу ближе к оси вращения, что усиливает вращающий эффект благодаря закону сохранения углового момента. Вторичные потоки внутри пыльного дьявола заставляют другой горячий воздух ускоряться горизонтально внутрь, к основанию формирующегося вихря. По мере притока большего количества горячего воздуха в развивающийся вихрь, чтобы заменить поднимающийся, вращающий эффект становится еще более интенсивным и самоподдерживающимся. Полностью сформированный пыльный дьявол представляет собой воронкообразную трубу, через которую горячий воздух движется вверх и по спирали. Поднимаясь, горячий воздух остывает, теряет подъемную силу и в конечном итоге перестает подниматься. При подъеме он вытесняет воздух, который опускается за пределами ядра вихря. Этот опускающийся холодный воздух служит противовесом вращающейся внешней стенке горячего воздуха, поддерживая стабильность системы. Вращающий эффект, в сочетании с поверхностным трением, обычно создает поступательный импульс. Пыльный дьявол может поддерживаться, если он перемещается над близлежащими источниками горячего воздуха у поверхности. По мере того, как доступный горячий воздух у поверхности направляется вверх по пыльному дьяволу, в конечном итоге втягивается окружающий более холодный воздух. Как только это происходит, эффект становится заметным, и пыльный дьявол рассеивается за секунды. Обычно это происходит, когда пыльный дьявол движется медленно (затухает) или начинает попадать на местность с более низкой температурой поверхности. Определенные условия повышают вероятность образования пыльных дьяволов. Плоская, безрастительная местность, пустыня или асфальт: ровные условия увеличивают вероятность того, что "топливо" из горячего воздуха будет почти постоянным. Пыльные или песчаные условия приводят к тому, что частицы захватываются в вихрь, делая пыльный дьявол легко видимым, но не являются необходимыми для формирования вихря. Ясное небо или небольшая облачность: поверхность должна поглощать значительное количество солнечной энергии, чтобы нагреть воздух у поверхности и создать идеальные условия для пыльного дьявола. Слабый или отсутствующий ветер и прохладная температура воздуха: основным фактором устойчивости пыльного дьявола является большая разница в температуре между воздухом у поверхности и атмосферой. Ветреная погода дестабилизирует вращающий эффект пыльного дьявола.

Dust devils form when a pocket of hot air near the surface rises quickly through cooler air above it, forming an updraft. If conditions are just right, the updraft may begin to rotate. As the air rapidly rises, the column of hot air is stretched vertically, thereby moving mass closer to the axis of rotation, which causes intensification of the spinning effect by conservation of angular momentum. The secondary flow in the dust devil causes other hot air to speed horizontally inward to the bottom of the newly forming vortex. As more hot air rushes in toward the developing vortex to replace the air that is rising, the spinning effect becomes further intensified and self sustaining. A dust devil, fully formed, is a funnel like chimney through which hot air moves, both upwards and in a circle. As the hot air rises, it cools, loses its buoyancy and eventually ceases to rise. As it rises, it displaces air which descends outside the core of the vortex. This cool air returning acts as a balance against the spinning hot air outer wall and keeps the system stable. The spinning effect, along with surface friction, usually will produce a forward momentum. The dust devil may be sustained if it moves over nearby sources of hot surface air. As available hot air near the surface is channelled up the dust devil, eventually surrounding cooler air will be sucked in. Once it occurs, the effect is dramatic, and the dust devil dissipates in seconds. Usually it occurs when the dust devil is moving slowly (depletion) or begins to enter a terrain where the surface temperatures are cooler. Certain conditions increase the likelihood of dust devil formation. Flat barren terrain, desert or tarmac: Flat conditions increase the likelihood of the hot air "fuel" being a near constant. Dusty or sandy conditions will cause particles to become caught up in the vortex, making the dust devil easily visible, but are not necessary for the formation of the vortex. Clear skies or lightly cloudy conditions: The surface needs to absorb significant amounts of solar energy to heat the air near the surface and create ideal dust devil conditions. Light or no wind and cool atmospheric temperature: The underlying factor for sustainability of a dust devil is the extreme difference in temperature between the near surface air and the atmosphere. Windy conditions will destabilize the spinning effect of a dust devil.

Интенсивность и продолжительность

На Земле большинство пылевых вихрей обычно небольшие и слабые, часто менее 3 футов (0,9 м) в диаметре, с максимальной скоростью ветра в среднем около 45 миль в час (70 км/ч), и они часто рассеиваются менее чем через минуту после формирования. В редких случаях пылевой вихрь может стать очень большим и интенсивным, иногда достигая диаметра до 300 футов (90 м) при скорости ветра более 60 миль в час (100 км/ч и выше) и может существовать более 20 минут, прежде чем рассеяться. Из-за небольшого диаметра сила Кориолиса не оказывает существенного влияния на сам вихрь, поэтому встречаются пылевые вихри с антициклоническим вращением.

Опасности

Пыльные дьяволы обычно не причиняют травм, но редкие, сильные пыльные дьяволы в прошлом приводили к повреждениям и даже гибели людей. Один из таких пыльных дьяволов обрушился на территорию окружной ярмарки Коконино в Флагстаффе, штат Аризона, 14 сентября 2000 года, нанеся значительный ущерб нескольким временным палаткам, прилавкам и стендам, а также некоторым постоянным сооружениям ярмарки. Сообщалось о нескольких пострадавших, но смертельных случаев не было. Судя по степени разрушений, считается, что скорость ветра в этом пыльном дьяволе достигала 75 миль в час (120 км/ч), что эквивалентно торнадо EF0. 19 мая 2003 года пыльный дьявол сорвал крышу двухэтажного здания в Либане, штат Мэн, в результате чего здание обрушилось и убило находившегося внутри мужчину. 18 июня 2008 года женщина недалеко от Каспера, штат Вайоминг, погибла, когда пыльный дьявол перевернул небольшую будку судьи на молодежном бейсбольном поле, придавив её. Она пыталась укрыться от пыльного дьявола, оказавшись за будкой. В 2010 году в Восточном Эль-Пасо, штат Техас, пыльный дьявол поднял в воздух троих детей, находившихся в надувном батуте, подняв их на высоту более 3 метров, перенеся через забор и приземлив во дворе дома в трех домах от места происшествия. В 2018 году в городе Коммерс-Сити, штат Колорадо, мощный пыльный дьявол поднял в воздух два портативных туалета; никто не пострадал. В 2019 году крупный пыльный дьявол в округе Ючэн провинции Хэнань, Китай, убил 2 детей и ранил 18 детей и 2 взрослых, когда надувной замок был поднят в воздух. Пыльные дьяволы были причастны примерно к 100 авиационных происшествиям. Хотя многие инциденты были связаны с простыми проблемами при рулении, некоторые имели летальный исход. Пыльные дьяволы также считаются серьезной опасностью для парашютистов и пилотов парапланов, поскольку они могут привести к внезапному схлопыванию парашюта или параплана без предупреждения на высотах, которые считаются слишком низкими для катапультирования, что может привести к серьезным травмам или гибели парашютистов. Так было 1 июня 1996 года, когда пыльный дьявол привел к схлопыванию парашюта парашютиста на высоте около 9 метров над землей. Он впоследствии скончался от полученных травм. Пыльные дьяволы также могут способствовать возникновению лесных пожаров. Один из случаев произошел в 1868 году в Энгебеке, муниципалитете Билунд, Дания, когда пыльный дьявол забросил клочок травы в обогреватель, вызвав лесной пожар, который, возможно, охватил от 10 000 до 50 000 гектаров и более.

Dust devils typically do not cause injuries, but rare, severe dust devils have caused damage and even deaths in the past. One such dust devil struck the Coconino County Fairgrounds in Flagstaff, Arizona, on September 14, 2000, causing extensive damage to several temporary tents, stands and booths, as well as some permanent fairgrounds structures. Several injuries were reported, but there were no fatalities. Based on the degree of damage left behind, it is estimated that the dust devil produced winds as high as 75 mph (120 km/h), which is equivalent to an EF0 tornado. On May 19, 2003, a dust devil lifted the roof off a two story building in Lebanon, Maine, causing it to collapse and kill a man inside. On June 18, 2008, a woman near Casper, Wyoming was killed when a dust devil caused a small scorer's shed at a youth baseball field to flip on top of her. She had been trying to shelter from the dust devil by going behind the shed. At East El Paso, Texas in 2010, three children in an inflatable jump house were picked up by a dust devil and lifted over 10 feet (3 m), travelling over a fence and landing in a backyard three houses away. In Commerce City, Colorado in 2018, a powerful dust devil hurtled two porta potties into the air; no one was injured. In 2019, a large dust devil in Yucheng county, Henan province, China killed 2 children and injured 18 children and 2 adults when a bouncy castle was lifted into the air. Dust devils have been implicated in around 100 aircraft accidents. While many incidents have been simple taxiing problems, a few have had fatal consequences. Dust devils are also considered major hazards among skydivers and paragliding pilots as they can cause a parachute or a paraglider to collapse with little to no warning, at altitudes considered too low to cut away, and contribute to the serious injury or death of parachutists. Such was the case on June 1, 1996, when a dust devil caused a skydiver's parachute to collapse about 30 feet (9 m) above the ground. He later died from the injuries he sustained. Dust devils can also contribute to wildfires. One case occurred in Engebæk, Billund Municipality, Denmark in 1868 where a dust devil tossed tuft into a heater, causing a wildfire that possibly extended from 10,000 to 50,000 hectares or more.

Электрическая деятельность

Пылевые дьяволы, даже небольшие (на Земле), могут создавать радиошум и электрические поля напряжением более 10 000 вольт на метр. Пылевой дьявол поднимает мелкие частицы пыли и грязи. В процессе вращения частицы электризуются при контакте или трении (трибоэлектрификация). Вращающиеся заряженные частицы также создают магнитное поле, которое колеблется с частотой от 3 до 30 раз в секунду. Эти электрические поля могут способствовать подъему материала вихрем с земли в атмосферу. Полевые эксперименты показывают, что пылевой дьявол способен поднимать 1 грамм пыли в секунду с каждого квадратного метра поверхности, над которой он проходит. Крупный пылевой дьявол, основание которого достигает около 100 метров в диаметре, может поднять в воздух примерно 15 метрических тонн пыли за 30 минут. Гигантские пыльные бури, охватывающие пустыни мира, ежегодно вносят 8% минеральной пыли в атмосферу во время нескольких происходящих бурь. Для сравнения, значительно меньшие пылевые дьяволы, кружащиеся над пустынями летом, поднимают примерно в три раза больше пыли, оказывая, таким образом, более значительное совокупное влияние на содержание пыли в атмосфере. В таких случаях их часто называют песчаными столбами.

Альтернативные названия

В Австралии пыльный дьявол чаще называют "Уилли Уилли". В Ирландии пыльные дьяволы известны как "sí gaoithe" или "ветер фей".

Пепельные дьяволы

Горячие угли под свежевыпавшим пеплом в недавно выжженных районах иногда могут порождать множество пылевых смерчей. Меньший вес и более темный цвет пепла могут создавать пылевые смерчи, видимые на сотни футов в высоту. Пепельные смерчи формируются аналогично пылевым смерчам и часто наблюдаются в нестабильную погоду в зонах, пострадавших от недавних пожаров. Угольные смерчи распространены в угольном городе Цагаан-Хад в южной провинции Гоби, Монголия. Они возникают, когда пылевые смерчи поднимают большие объемы складированного угля. Их темный цвет делает их похожими на торнадо.

Огненные вихри

Огненные вихри или спирали, иногда называемые огненными дьяволами или огненными торнадо, можно наблюдать во время сильных пожаров в горючих зданиях или, что более распространено, в лесных или степных пожарах. Огненный вихрь – это вращающееся образование горящих газов, поднимающихся из горючего материала. Его формирование, вероятно, аналогично формированию пылевого смерча. В отличие от пылевого смерча, маловероятно, что высота, достигаемая вихрем горячих газов, превысит видимую высоту вертикального пламени из-за турбулентности в окружающих газах, которая препятствует образованию стабильного пограничного слоя между вращающимися и поднимающимися газами и окружающей атмосферой.

Черт возьми .

"Сеновой дьявол" – это легкий вихрь, образующийся в теплом воздухе над полями скошенного сена. В тихую, солнечную погоду от земли поднимается столб горячего воздуха, формируя воронку, которая безвредно подбрасывает и кружит стебли и комья сена, часто к радости детей и прохожих.

Снежные дьяволы

Те же самые условия могут привести к снежному вихрю, снежному смерчу или, иногда, к так называемому "снежному торнадо" (snownado), хотя дифференциальный нагрев сложнее реализовать на заснеженных территориях.

Паровые дьяволы

Паровые дьяволы — это небольшие вихревые колонны насыщенного воздуха переменной высоты, но малого диаметра, формирующиеся, когда холодный воздух находится над значительно более тёплой водой или насыщенной поверхностью. Они также часто наблюдаются в паре, поднимающемся от электростанций.