Введение
Центральная область спокойной погоды в тропическом циклоне
Глаз – это область преимущественно спокойной погоды в центре тропического циклона. Глаз шторма представляет собой приблизительно круговую область, обычно от нескольких до десятков километров в диаметре. Он окружен стенкой глаза – кольцом мощных гроз, где наблюдаются наиболее сильные погодные явления и максимальные ветры циклона. Наименьшее барометрическое давление в циклоне регистрируется в глазу и может быть на 15 процентов ниже, чем давление за пределами шторма. В сильных тропических циклонах глаз характеризуется слабыми ветрами и ясным небом, окруженным со всех сторон высокой, симметричной стенкой глаза. В более слабых тропических циклонах глаз менее четко выражен и может быть покрыт центральным плотным облачным массивом – областью высоких, плотных облаков, хорошо заметных на спутниковых изображениях. Слабые или дезорганизованные штормы могут также иметь стенку глаза, которая не полностью окружает глаз, или глаз, в котором выпадают сильные дожди. Однако во всех штормах именно в глазу показания барометра достигают минимальных значений.
Структура
Типичный тропический циклон имеет глаз диаметром примерно 30–65 км (20–40 миль) в геометрическом центре шторма. Глаз может быть ясным или иметь отдельные низкие облака (ясный глаз), он может быть заполнен низкими и средними облаками (заполненный глаз) или скрыт центральным плотным облачным покровом. Однако в глазу очень мало ветра и осадков, особенно вблизи центра. Это резко контрастирует с условиями в стенке глаза, где сосредоточены самые сильные ветры. В силу механики тропического циклона, глаз и воздух непосредственно над ним теплее, чем окружающая среда. Хотя обычно глаза достаточно симметричны, они могут быть продолговатыми и неправильной формы, особенно в ослабевающих штормах. Большой, разорванный глаз – это некорректный, фрагментированный глаз, который является признаком слабого или ослабевающего тропического циклона. Открытый глаз – это глаз, который может быть круглым, но стенка глаза не полностью его окружает, что также указывает на ослабление, недостаток влаги или слабое, но усиливающееся состояние циклона. Оба этих признака используются для оценки интенсивности тропических циклонов с помощью анализа Дворака. Стенки глаз обычно имеют круглую форму, однако иногда встречаются отчетливо многоугольные формы, от треугольников до шестиугольников. В то время как у типичных зрелых штормов глаза имеют диаметр в несколько десятков миль, быстро усиливающиеся штормы могут развить чрезвычайно маленький, ясный и круглый глаз, иногда называемый игольчатым глазом. Штормы с игольчатым глазом склонны к большим колебаниям интенсивности и создают трудности для прогнозистов. Маленькие/микроскопические глаза, диаметром менее десяти морских миль (19 км, 12 миль), часто запускают циклы смены стенки глаза, когда новая стенка глаза начинает формироваться за пределами первоначальной. Это может происходить на расстоянии от пятнадцати до сотен километров (от десяти до нескольких сотен миль) от внутреннего глаза. Затем шторм развивает две концентрические стенки глаза, или "глаз в глазу". В большинстве случаев внешняя стенка глаза начинает сжиматься вскоре после своего формирования, что подавляет внутренний глаз и оставляет гораздо больший, но более стабильный глаз. Хотя цикл смены обычно ослабляет штормы по мере его развития, новая стенка глаза может довольно быстро сжаться после рассеивания старой стенки глаза, позволяя шторму вновь усилиться. Это может спровоцировать новый цикл смены стенки глаза. до (Ураган Вильма). Хотя для штормов с большими глазами редко достигается очень высокая интенсивность, это все же случается, особенно в кольцевых ураганах. Ураган Изабель был одиннадцатым по силе ураганом в Северной Атлантике за всю историю наблюдений и поддерживал широкий глаз диаметром 65–80 км (40–50 миль) в течение нескольких дней.
Формирование и обнаружение
Тропические циклоны обычно формируются из обширных, неупорядоченных областей возмущенной погоды в тропических регионах. По мере образования и объединения гроз, шторм развивает дождевые полосы, которые начинают вращаться вокруг общего центра. С усилением шторма на определенном расстоянии от центра вращения развивающегося циклона формируется кольцо более интенсивной конвекции. Поскольку более сильные грозы и обильные осадки указывают на области более мощных восходящих потоков, барометрическое давление у поверхности начинает понижаться, а воздух начинает скапливаться в верхних слоях циклона. Многие аспекты этого процесса остаются неразгаданными. Ученые не знают, почему кольцо конвекции формируется вокруг центра циркуляции, а не непосредственно над ним, или почему антициклон верхнего уровня выбрасывает лишь часть избыточного воздуха над штормом. Существует множество теорий относительно точного механизма формирования глаза циклона: известно лишь то, что глаз необходим для достижения тропическими циклонами высоких скоростей ветра. Одно спутниковое исследование показало, что глаза обнаруживаются в среднем в течение 30 часов на один шторм.
Циклы замены глазной стенки
Циклы замены глазной стенки, также называемые концентрическими циклами глазной стенки, естественным образом возникают в интенсивных тропических циклонах, обычно при скорости ветра более 185 км/ч (115 миль/ч), или крупных ураганах (категория 3 или выше по шкале ураганов Саффира — Симпсона). Когда тропические циклоны достигают такой интенсивности, и глазная стенка сжимается или уже достаточно мала (см. выше), некоторые внешние дождевые полосы могут усиливаться и организовываться в кольцо гроз – внешнюю глазную стенку, которая медленно движется внутрь, лишая внутреннюю глазную стенку необходимой влаги и углового момента. Поскольку самые сильные ветры находятся в глазной стенке циклона, тропический циклон обычно ослабевает в этой фазе, так как внутренняя стенка "подавляется" внешней. В конечном итоге внешняя глазная стенка полностью заменяет внутреннюю, и шторм может снова усилиться. Открытие этого процесса частично послужило причиной прекращения эксперимента правительства США по модификации ураганов Project Stormfury. В рамках этого проекта планировалось рассеивать облака за пределами глазной стенки, чтобы сформировать новую глазную стенку и ослабить шторм. Когда было установлено, что это естественный процесс, обусловленный динамикой ураганов, проект был быстро прекращен.
Ров
Ров в тропическом циклоне — это четко выраженное кольцо за пределами стенки глаза или между концентрическими глазными стенками, характеризующееся нисходящими потоками (медленно опускающимся воздухом) и незначительными или отсутствующими осадками. Воздушные потоки в рве определяются совокупным влиянием растяжения и сдвига. Ров между глазными стенками — это область в шторме, где скорость вращения воздуха резко меняется в зависимости от расстояния до центра шторма; эти области также известны как зоны быстрой филаментации. Подобные области потенциально могут встречаться вблизи любого вихря достаточной мощности, но наиболее ярко выражены в сильных тропических циклонах.
Мезовертики на стене глаз
Мезовортики глазной стенки – это мелкомасштабные вращательные образования, обнаруживаемые в глазных стенках интенсивных тропических циклонов. По своей сути, они аналогичны небольшим "всасывающим вихрям", часто наблюдаемым в многовихревых торнадо. В этих вихрях скорость ветра может превышать скорость ветра в любом другом месте глазной стенки. Мезовортики глазной стенки наиболее часто встречаются в периоды интенсификации тропических циклонов.
Мезовортики глазной стенки являются важным фактором в формировании торнадо после выхода тропического циклона на сушу. Мезовортики могут инициировать вращение в отдельных конвективных ячейках или восходящих потоках (мезоциклон), что приводит к торнадоактивности. При выходе на сушу возникает трение между циркуляцией тропического циклона и земной поверхностью. Это может позволить мезовортикам опуститься к поверхности, вызывая торнадо. Эти торнадообразные циркуляции в приземном слое атмосферы могут быть распространены во внутренних глазных стенках интенсивных тропических циклонов, но из-за короткой продолжительности и небольшого размера они нечасто наблюдаются.
Эффект стадиона
Эффект стадиона — это явление, наблюдаемое в сильных тропических циклонах. Это довольно частое явление, при котором облака глазной стенки выгибаются наружу от поверхности по мере увеличения высоты. Это придает глазу вид, напоминающий спортивный стадион при взгляде сверху. Глаз всегда шире в верхней части циклона и уже в нижней, поскольку восходящие потоки воздуха в глазной стенке следуют линиям равного углового момента, которые также расширяются с высотой.
Глазоподобные черты
В усиливающихся тропических циклонах часто наблюдается структура, похожая на глаз. Подобно глазу, который можно увидеть в ураганах или тайфунах, это круговая область в центре циркуляции шторма, где отсутствует конвекция. Такие образования, напоминающие глаз, чаще всего встречаются в усиливающихся тропических штормах и ураганах 1-й категории по шкале Саффира-Симпсона. Например, образование, похожее на глаз, было обнаружено в урагане Бета, когда максимальная скорость ветра составляла всего 80 км/ч (50 миль/ч), что значительно ниже ураганной силы. Обычно эти образования не видны в видимом или инфракрасном диапазонах спектра при наблюдении из космоса, хотя они хорошо различимы на микроволновых спутниковых изображениях. Их развитие в средних слоях атмосферы аналогично формированию полноценного глаза, но эти образования могут быть смещены по горизонтали из-за вертикального сдвига ветра.
Опасности
Хотя глаз бури – это, безусловно, самая спокойная часть шторма (по крайней мере, на суше), где нет ветра в центре и обычно ясное небо, в океане это, возможно, самая опасная зона. В стенке глаза ветром гонимые волны движутся в одном направлении. Однако в центре глаза волны сходятся со всех сторон, создавая беспорядочные гребни, которые могут накладываться друг на друга, образуя аномальные волны. Максимальная высота ураганных волн неизвестна, но измерения, сделанные во время урагана Иван, когда он был ураганом 4-й категории, показали, что высота волн вблизи стенки глаза превышала 40 метров (130 футов) от гребня до впадины. Распространенная ошибка, особенно в регионах, где ураганы редки, заключается в том, что люди выходят из домов, чтобы оценить ущерб, пока над ними проходит спокойный глаз бури, и оказываются застигнутыми врасплох сильными ветрами в противоположной стенке глаза.
Другие циклоны
Хотя официально термин "глаз" применяется только к тропическим циклонам, другие погодные системы также могут демонстрировать признаки, похожие на глаз.
Полярные минимумы
Полярные минимумы – это мезомасштабные метеорологические системы, обычно размером менее 1000 км (600 миль) в поперечнике, которые встречаются вблизи полюсов. Подобно тропическим циклонам, они формируются над относительно теплой водой и могут характеризоваться глубокой конвекцией и ветрами, достигающими силы шторма или превышающими её. Однако, в отличие от тропических штормов, они развиваются при гораздо более низких температурах и на гораздо более высоких широтах. Они также меньше по размеру и существуют недолго, лишь немногие из них длятся более суток. Несмотря на эти различия, их структура может быть очень похожа на структуру тропических циклонов, с отчетливым глазом, окруженным глазной стеной, и полосами дождя и снега.
Экстратропические циклоны
Экстратропические циклоны – это области низкого давления, существующие на границе различных воздушных масс. Почти все штормы, наблюдаемые в средних широтах, имеют экстратропическую природу, включая классические североамериканские штормы типа «норэстер» и европейские ветровые бури. Наиболее мощные из них могут иметь отчетливо выраженный "глаз" в области минимального барометрического давления, хотя он обычно окружен слоистыми, неконвективными облаками и располагается в задней части циклона.
Субтропические циклоны
Субтропические циклоны – это области низкого давления, сочетающие в себе признаки как внетропических, так и тропических циклонов. В связи с этим, они могут иметь глаз, даже не являясь полноценными тропическими системами. Субтропические циклоны могут быть очень опасными, вызывая сильные ветры и волнение, и часто перерастают в полноценные тропические циклоны. По этой причине Национальный центр ураганов начал включать субтропические штормы в свою систему присвоения имён в 2002 году.
Торнадо
Торнадо – разрушительные, небольшие по масштабу штормы, создающие самые быстрые ветры на Земле. Существует два основных типа: одноворонковые торнадо, состоящие из единого вращающегося столба воздуха, и многоворонковые торнадо, состоящие из небольших "всасывающих вихрей", напоминающих миниатюрные торнадо, вращающиеся вокруг общего центра. Считается, что в центре обоих типов торнадо находится спокойное "глаз". Эти теории подтверждаются данными доплеровских измерений скорости, полученными с помощью метеорологических радаров, и свидетельствами очевидцев.
Инопланетные вихри
В ноябре 2006 года НАСА сообщило, что космический аппарат "Кассини" зафиксировал шторм, похожий на "ураган", локализованный у южного полюса Сатурна с отчетливо выраженной глазной стенкой. Это наблюдение было особенно заметным, поскольку облака глазной стенки ранее не наблюдались ни на одной планете, кроме Земли (в том числе не удалось обнаружить глазную стенку в Большом красном пятне Юпитера с помощью космического аппарата "Галилео"). В 2007 году миссия "Venus Express" Европейского космического агентства обнаружила очень крупные вихри на обоих полюсах Венеры, обладающие структурой дипольного глаза.