Глаз — это область преимущественно спокойной погоды в центре тропического циклона . Глаз шторма — это примерно круглая область, обычно диаметром 30–65 километров (19–40 миль; 16–35 морских миль). Он окружен стеной глаза , кольцом возвышающихся гроз , где случаются самые суровые погодные условия и самые сильные ветры циклона. Самое низкое барометрическое давление циклона возникает в глазу и может быть на 15 процентов ниже давления за пределами шторма. [1]
В сильных тропических циклонах глаз характеризуется слабым ветром и ясным небом, окруженным со всех сторон возвышающейся симметричной стеной глаза. В более слабых тропических циклонах глаз менее четко определен и может быть покрыт центральной плотной облачностью , областью высоких, толстых облаков, которые ярко видны на спутниковых снимках . Более слабые или неорганизованные штормы также могут иметь стену глаза, которая не полностью окружает глаз или иметь глаз, который показывает сильный дождь. Однако во всех штормах глаз находится там, где показания барометра самые низкие. [1] [2]
Типичный тропический циклон имеет глаз примерно 30–65 км (20–40 миль) в поперечнике в геометрическом центре шторма. Глаз может быть чистым или иметь пятнистые низкие облака ( чистый глаз ), он может быть заполнен облаками низкого и среднего уровня ( заполненный глаз ) или может быть скрыт центральной плотной облачностью. Однако ветра и дождя очень мало, особенно вблизи центра. Это резко контрастирует с условиями в стене глаза, которая содержит самые сильные ветры шторма. [3] Из-за механики тропического циклона глаз и воздух непосредственно над ним теплее, чем их окружение. [4]
Хотя обычно они довольно симметричны, глаза могут быть продолговатыми и нерегулярными, особенно при слабеющих штормах. Большой рваный глаз — это некруглый глаз, который выглядит фрагментированным и является индикатором слабого или слабеющего тропического циклона. Открытый глаз — это глаз, который может быть круглым, но стена глаза не полностью окружает глаз, что также указывает на слабеющий, лишенный влаги циклон или слабый, но усиливающийся. Оба эти наблюдения используются для оценки интенсивности тропических циклонов с помощью анализа Дворжака . [5] Стены глаза обычно круглые; однако иногда встречаются отчетливо многоугольные формы от треугольников до шестиугольников. [6]
В то время как типичные зрелые штормы имеют глаза, которые имеют диаметр в несколько десятков миль, быстро усиливающиеся штормы могут образовывать чрезвычайно маленький, ясный и круглый глаз, иногда называемый глазом-булавкой . Штормы с глазами-булавками склонны к большим колебаниям интенсивности и создают трудности и разочарования для прогнозистов. [7]
Маленькие/крошечные глаза – менее десяти морских миль (19 км, 12 миль) в поперечнике – часто запускают циклы замены глазной стенки, когда новая глазная стенка начинает формироваться за пределами исходной глазной стенки. Это может происходить где угодно от пятнадцати до сотен километров (от десяти до нескольких сотен миль) за пределами внутреннего глаза. Затем шторм образует две концентрические глазные стенки , или «глаз внутри глаза». В большинстве случаев внешняя глазная стенка начинает сокращаться вскоре после своего формирования, что заглушает внутренний глаз и оставляет гораздо больший, но более стабильный глаз. В то время как цикл замены имеет тенденцию ослаблять штормы по мере своего возникновения, новая глазная стенка может довольно быстро сокращаться после того, как старая глазная стенка рассеивается, позволяя шторму снова укрепиться. Это может запустить еще один цикл повторного укрепления замены глазной стенки. [8]
Глаза могут варьироваться в размерах от 370 км (230 миль) ( тайфун Кармен ) [9] до всего лишь 3,7 км (2,3 мили) ( ураган Вильма ) в поперечнике. [10] Хотя штормы с большими глазами редко становятся очень интенсивными, это случается, особенно в кольцевых ураганах . Ураган Изабель был одиннадцатым по мощности ураганом в Северной Атлантике за всю историю наблюдений и поддерживал широкий — 65–80 км (40–50 миль) — глаз в течение нескольких дней. [11]
Тропические циклоны обычно формируются из больших, неорганизованных областей возмущенной погоды в тропических регионах. По мере того, как формируется и собирается больше гроз, шторм образует дождевые полосы , которые начинают вращаться вокруг общего центра. По мере того, как шторм набирает силу, на определенном расстоянии от центра вращения развивающегося шторма формируется кольцо более сильной конвекции . Поскольку более сильные грозы и более сильный дождь отмечают области более сильных восходящих потоков , барометрическое давление у поверхности начинает падать, и воздух начинает накапливаться в верхних слоях циклона. [12] Это приводит к образованию антициклона верхнего уровня или области высокого атмосферного давления над центральной плотной облачностью. Следовательно, большая часть этого накопленного воздуха течет наружу антициклонически над тропическим циклоном. За пределами формирующегося глаза антициклон на верхних слоях атмосферы усиливает поток к центру циклона, подталкивая воздух к стене глаза и вызывая положительную обратную связь . [12]
Однако небольшая часть скопившегося воздуха вместо того, чтобы течь наружу, течет внутрь к центру шторма. Это приводит к тому, что давление воздуха растет еще больше, до точки, где вес воздуха противодействует силе восходящих потоков в центре шторма. Воздух начинает опускаться в центре шторма, создавая в основном свободную от дождя область – недавно сформированный глаз. [12]
Многие аспекты этого процесса остаются загадкой. Ученые не знают, почему кольцо конвекции формируется вокруг центра циркуляции, а не на его вершине, или почему антициклон верхнего уровня выбрасывает только часть избыточного воздуха над штормом. Существует много теорий относительно точного процесса, посредством которого формируется глаз: все, что известно наверняка, это то, что глаз необходим тропическим циклонам для достижения высоких скоростей ветра. [12]
Формирование глаза почти всегда является показателем увеличения организации и силы тропического циклона. Из-за этого прогнозисты внимательно следят за развивающимися штормами на предмет признаков формирования глаза. [ необходима цитата ]
Для штормов с ясным глазом обнаружение глаза так же просто, как просмотр снимков с метеорологического спутника . Однако для штормов с заполненным глазом или глазом, полностью закрытым центральной плотной облачностью, необходимо использовать другие методы обнаружения. Наблюдения с кораблей и охотников за ураганами могут визуально определить глаз, отслеживая падение скорости ветра или отсутствие осадков в центре шторма. В Соединенных Штатах, Южной Корее и нескольких других странах сеть метеорологических радиолокационных станций NEXRAD Doppler может обнаруживать глаза вблизи побережья. Метеорологические спутники также несут оборудование для измерения атмосферного водяного пара и температуры облаков, которое может быть использовано для обнаружения формирующегося глаза. Кроме того, ученые недавно обнаружили, что количество озона в глазу намного выше, чем в стене глаза, из-за опускания воздуха из богатой озоном стратосферы. Приборы, чувствительные к озону, выполняют измерения, которые используются для наблюдения за поднимающимися и опускающимися столбами воздуха и дают представление об образовании глаза, даже до того, как спутниковые снимки смогут определить его образование. [13]
В ходе одного спутникового исследования было обнаружено, что в среднем глаза обнаруживаются в течение 30 часов за шторм. [14]
Циклы замены стены глаза , также называемые концентрическими циклами стены глаза , естественным образом происходят в интенсивных тропических циклонах, как правило, с ветрами более 185 км/ч (115 миль/ч) или крупных ураганах (категория 3 или выше по шкале ураганов Саффира-Симпсона ). Когда тропические циклоны достигают этой интенсивности, а стена глаза сжимается или уже достаточно мала (см. выше), некоторые из внешних дождевых полос могут усилиться и организоваться в кольцо гроз – внешнюю стену глаза – которая медленно движется внутрь и лишает внутреннюю стену глаза необходимой влаги и углового момента . Поскольку самые сильные ветры находятся в стене глаза циклона, тропический циклон обычно ослабевает во время этой фазы, поскольку внутренняя стена «задыхается» внешней стеной. В конце концов внешняя стена глаза полностью заменяет внутреннюю, и шторм может снова усилиться. [8]
Открытие этого процесса частично стало причиной окончания эксперимента правительства США по модификации ураганов Project Stormfury . Целью этого проекта было засеять облака за пределами стены глаза, что привело к формированию новой стены глаза и ослаблению шторма. Когда было обнаружено, что это естественный процесс, вызванный динамикой ураганов, проект был быстро заброшен. [8]
Исследования показывают, что 53 процента интенсивных ураганов проходят по крайней мере один из этих циклов за время своего существования. [15] Ураган Аллен в 1980 году прошел через повторные циклы замены стенок глаза, несколько раз меняя статус между категорией 5 и категорией 4 по шкале Саффира-Симпсона, в то время как ураган Джульетта (2001) является задокументированным случаем тройных стенок глаза. [15]
Ров в тропическом циклоне — это четкое кольцо за пределами стены глаза или между концентрическими стенами глаза, характеризующееся оседанием (медленно опускающимся воздухом) и небольшим или отсутствующим количеством осадков. Воздушный поток в рву определяется кумулятивными эффектами растяжения и сдвига . Ров между стенами глаза — это область в шторме, где скорость вращения воздуха сильно меняется пропорционально расстоянию от центра шторма; эти области также известны как зоны быстрой филаментации . Такие области потенциально могут быть найдены вблизи любого вихря достаточной силы, но наиболее выражены в сильных тропических циклонах. [16]
_eye_close-up.jpg/1280px-Hurricane_emilia_(1994)_eye_close-up.jpg)
Мезовихри стены глаза — это мелкомасштабные вращательные особенности, обнаруженные в стенах глаза интенсивных тропических циклонов. Они, в принципе, похожи на небольшие «всасывающие вихри», часто наблюдаемые в многовихревых торнадо . [17] В этих вихрях скорость ветра может быть больше, чем где-либо еще в стене глаза. [18] Мезовихри стены глаза чаще всего встречаются в периоды усиления тропических циклонов. [17]
Мезовихри eyewall часто демонстрируют необычное поведение в тропических циклонах. Обычно они вращаются вокруг центра низкого давления, но иногда остаются неподвижными. Было даже зафиксировано, что мезовихри eyewall пересекают глаз шторма. Эти явления были задокументированы наблюдательно, [19] экспериментально, [17] и теоретически. [20]
Мезовихри глазной стены являются существенным 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 торнадо-активности. При выходе на сушу между циркуляцией тропического циклона и землей возникает трение. Это может позволить мезовихрям опуститься на поверхность, вызывая торнадо. [21] Эти торнадо-циркуляции в пограничном слое могут быть распространены во внутренних стенах глаза интенсивных тропических циклонов, но при короткой продолжительности и небольшом размере они наблюдаются нечасто. [22]
Эффект стадиона — явление, наблюдаемое в сильных тропических циклонах. Это довольно распространенное явление, когда облака стены глаза изгибаются наружу от поверхности с высотой. Это придает глазу вид, напоминающий спортивный стадион с воздуха. Глаз всегда больше в верхней части шторма и меньше в нижней части шторма, потому что поднимающийся воздух в стене глаза следует изолиниям равного углового момента , которые также наклоняются наружу с высотой. [23] [24] [25]
Глазоподобная структура часто встречается в усиливающихся тропических циклонах. Подобно глазу, наблюдаемому в ураганах или тайфунах, это круглая область в центре циркуляции шторма, в котором отсутствует конвекция. Эти глазоподобные особенности чаще всего встречаются в усиливающихся тропических штормах и ураганах категории 1 по шкале Саффира-Симпсона. Например, глазоподобная особенность была обнаружена в урагане Бета , когда максимальная скорость ветра в шторме составляла всего 80 км/ч (50 миль/ч), что значительно ниже силы урагана. [26] Эти особенности обычно не видны на видимых длинах волн или инфракрасных длинах волн из космоса, хотя их легко увидеть на микроволновых спутниковых снимках. [27] Их развитие на средних уровнях атмосферы похоже на формирование полного глаза, но особенности могут быть смещены горизонтально из-за вертикального сдвига ветра. [28] [29]
Хотя глаз, безусловно, самая спокойная и тихая часть шторма (по крайней мере, на суше), без ветра в центре и обычно с ясным небом, это, возможно, самая опасная область в океане. В стене глаза все волны, гонимые ветром, движутся в одном направлении. Однако в центре глаза волны сходятся со всех сторон, создавая беспорядочные гребни, которые могут наслаиваться друг на друга, превращаясь в волны-убийцы . Максимальная высота ураганных волн неизвестна, но измерения во время урагана Иван, когда он был ураганом 4 категории, показали, что волны около стены глаза превышали 40 м (130 футов) от пика до впадины. [30]
Распространенной ошибкой, особенно в районах, где ураганы случаются редко, является то, что жители выходят из своих домов, чтобы осмотреть ущерб, пока спокойный глаз пролетает над ними, и оказываются застигнутыми врасплох сильным ветром в противоположной стене глаза. [31]
Хотя официально «глазами» обладают только тропические циклоны, существуют и другие погодные системы, которые могут демонстрировать признаки, похожие на глаза. [1] [32]
Полярные циклоны — это мезомасштабные погодные системы, обычно менее 1000 км (600 миль) в поперечнике, которые встречаются вблизи полюсов . Как и тропические циклоны, они формируются над относительно теплой водой и могут характеризоваться глубокой конвекцией и ветрами штормовой силы или сильнее. Однако, в отличие от штормов тропического происхождения, они процветают при гораздо более низких температурах и на гораздо более высоких широтах. Они также меньше и длятся в течение более коротких промежутков времени, и лишь немногие 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 глаза и полосами дождя и снега. [33]
Внетропические циклоны — это области низкого давления, которые существуют на границе различных воздушных масс . Почти все штормы, встречающиеся в средних широтах, являются внетропическими по своей природе, включая классические североамериканские норд-остеры и европейские штормовые ветры . Самые сильные из них могут иметь четкий «глаз» в месте самого низкого барометрического давления, хотя обычно он окружен более низкими, неконвективными облаками и находится около задней части шторма. [34]
Субтропические циклоны — это системы низкого давления с некоторыми внетропическими и некоторыми тропическими характеристиками. Таким образом, они могут иметь глаз, не будучи по-настоящему тропическими по своей природе. Субтропические циклоны могут быть очень опасными, создавая сильные ветры и моря, и часто превращаются в полноценные тропические циклоны. По этой причине Национальный центр ураганов начал включать субтропические штормы в свою схему наименований в 2002 году. [35]
Торнадо — это разрушительные, мелкомасштабные штормы, которые производят самые быстрые ветры на Земле. Существует два основных типа: одновихревые торнадо, которые состоят из одного вращающегося столба воздуха, и многовихревые торнадо , которые состоят из небольших «всасывающих вихрей», напоминающих сами мини-торнадо, все вращающиеся вокруг общего центра. Предполагается, что оба типа вихрей содержат спокойные глаза. Эти теории подтверждаются наблюдениями за доплеровской скоростью с помощью метеорологического радара и свидетельствами очевидцев. [36] [37] Также было показано, что некоторые одновихревые торнадо относительно ясны вблизи центрального вихря, видны по слабым отражениям dBZ ( отражательной способности ), наблюдаемым на мобильном радаре , а также содержат более медленные скорости ветра. [38]
В ноябре 2006 года НАСА сообщило, что космический аппарат Кассини наблюдал «ураганоподобный» шторм, зафиксированный на южном полюсе Сатурна с четко выраженной стеной глаза. Наблюдение было особенно примечательным, поскольку облака стены глаза ранее не наблюдались ни на одной планете, кроме Земли (включая неспособность космического аппарата Галилео наблюдать стену глаза в Большом Красном Пятне Юпитера ). [39] В 2007 году очень большие вихри на обоих полюсах Венеры были замечены миссией Venus Express Европейского космического агентства, имевшей дипольную структуру глаза. [40]
